Estados Unidos bate recorde mundial ao atingir 1 milissegundo de coerência quântica num qubit.

Os engenheiros conseguiram fazê-los durar mais tempo, utilizando uma pilha de materiais mais inteligente e uma fabricação meticulosa.

Investigadores nos Estados Unidos dizem que um qubit supercondutor agora mantém o seu estado durante mais de um milissegundo, o suficiente para mudar a forma como pensamos sobre circuitos quânticos úteis. O resultado supera recordes de laboratório e aproxima os roteiros industriais de designs com aparência fabricável em larga escala, em vez de feitos sob medida.

Porque é que este marco importa

O tempo de coerência define o ritmo de tudo o que um processador quântico pode fazer. Quanto mais tempo um qubit mantém o seu estado, mais portas pode executar antes de o ruído prevalecer. A equipa da Universidade de Princeton relata uma coerência superior a 1 milissegundo num transmon 2D, com fidelidade de portas de um só qubit medida em 99,994%. Essa combinação começa a parecer a base de uma máquina prática, em vez de uma demonstração pontual.

Mais de 1 ms de coerência e fidelidades de qubit único de 99,994% transformam estados frágeis em tempo de computação utilizável — não apenas curiosidades de laboratório.

O salto é significativo no contexto. Segundo a equipa, o novo dispositivo estende a coerência para cerca de três vezes mais do que os melhores números recentes de laboratório e cerca de quinze vezes mais do que o hardware industrial típico de hoje. Essa margem multiplica a profundidade do circuito, reduz as margens de erro e diminui a necessidade de os sistemas invocarem correção de erros de forma agressiva para se manterem operacionais.

Como Princeton conseguiu

Um metal diferente numa base diferente

O grupo liderado por Andrew Houck trocou o habitual alumínio na circuitaria supercondutora do qubit por tântalo e substituiu substratos de safira por silício de alta qualidade. A química de superfície do tântalo tende a comportar menos defeitos causadores de perdas, enquanto o silício abre a porta ao processamento em escala de wafer e às ferramentas já confiadas pela indústria de chips.

Unir estas peças exigiu muito trabalho árduo. Crescer filmes de tântalo limpos diretamente em silício, domar as interfaces e manter baixas as perdas parasitas exigiu controlo preciso à escala atómica. O resultado é uma pilha simples que se encaixa nas linhas de fabrico atuais.

Uma pilha robusta — tântalo em silício de alta qualidade — produz um transmon 2D que permanece estável durante tempo suficiente para executar algoritmos reais.

Desempenho medido

A equipa relata coerência superior a 1 ms e portas de qubit único com 99,994% de fidelidade num chip totalmente funcional, não apenas numa estrutura de teste isolada. Isso é importante para a escalabilidade: um design que se encaixa na eletrónica de controlo e leitura existente tem muito mais hipóteses de crescer de poucos qubits para milhares.

O que significa para o roteiro

Continua a ser um transmon supercondutor, estando por isso alinhado com a arquitetura utilizada pela Google, IBM e outros. Os investigadores argumentam que inserir estes qubits em layouts já estabelecidos pode aumentar o desempenho efetivo de forma dramática — sugerem até mil vezes em alguns regimes — porque a coerência multiplica-se através das camadas de computação. A reivindicação precisa de replicação alargada, mas o raciocínio segue a matemática sobre a profundidade de circuito e acumulação de erros.

• Circuítos mais profundos antes da parede do ruído, permitindo mais camadas de dois qubits em algoritmos como QAOA e VQE.
• Menor sobrecarga de correção de erros, reduzindo o número de qubits físicos por qubit lógico.
• Caminho mais limpo para a fabricação graças a substratos de silício, ferramentas para wafers e processos compatíveis com CMOS.
• Melhor uniformidade entre dispositivos, facilitando a calibração e melhorando o tempo ativo em arrays de múltiplos qubits.

Ao prolongar a coerência, não se adiciona apenas tempo de execução — desbloqueiam-se regimes completamente diferentes de profundidade algorítmica e sobrecarga de correção de erros.

Como se compara ao marco de verão da Finlândia

A Universidade Aalto, na Finlândia, ultrapassou 1 ms no início deste ano num exemplo de transmon isolado. O esforço de Princeton situa-se noutro patamar: coerência ao mesmo nível, mas dentro de um chip completo com operações de portas aferidas e uma pilha de materiais pensada para fabrico. Ambos impulsionam o campo; simplesmente apontam para próximos passos diferentes.

Limitações e próximos testes

Os valores de qubit único são excelentes, mas um processador útil depende das operações de dois qubits, interferências cruzadas e rendimento em grandes arrays. Os próximos marcos são claros: mostrar fidelidades de dois qubits bem superiores a 99,9%, manter a coerência elevada quando centenas de qubits partilham ligações e encapsulamento, e apresentar resultados consistentes em wafers inteiros.

As conquistas nos materiais podem ser frágeis. Tratamentos de superfície envelhecem, perdas de micro-ondas surgem, e a pilha criogénica acrescenta o seu próprio ruído. Laboratórios independentes precisam de reproduzir a receita de tântalo em silício e confirmar que os ganhos sobrevivem a novas ferramentas, diferentes geometria e ciclos longos a temperaturas de millikelvin.

O número principal é convincente. O campo precisa agora do mesmo desempenho em redes densas, com portas de emaranhamento e controlo de pilha completa em funcionamento.

O que um milissegundo proporciona na prática

Operações de portas em sistemas supercondutores situam-se normalmente entre várias dezenas a centenas de nanossegundos. Quando a coerência atinge os milissegundos, os circuitos podem incluir muito mais camadas antes de as taxas de erro comprometerem os resultados. Isto abre espaço para simulações químicas de maior precisão, rotinas de optimização com parâmetros mais amplos e protótipos com correção de erros que vão além da estabilização de um único qubit lógico.

Qubits de vida mais longa também reduzem os custos de manutenção. Os dispositivos variam menos entre calibrações, os pulsos de controlo podem ser moldados de forma mais suave e as estratégias de leitura podem dar prioridade à fidelidade sem pressas. Esses pequenos ganhos ao nível do sistema muitas vezes resultam em maior rendimento em cargas reais de trabalho.

Glossário rápido para clarificar termos

Tempo de coerência regista quanto tempo um qubit mantém informação de fase antes do ruído a embaralhar. Tempo de vida refere-se habitualmente à relaxação de energia — quando um estado excitado regressa ao nível base. Fidelidade mede quão precisamente uma porta faz o que afirma fazer. Todos os três requisitos devem ser elevados, em conjunto, para um cálculo significativo. O relatório de Princeton coloca cada um deles numa zona favorável para planos de escalabilidade baseados na correção de erros por código de superfície.

Riscos, restrições e o panorama geral

O tântalo parece uma escolha inteligente, mas não está livre de restrições de fornecimento ou peculiaridades no processamento. Óxidos de superfície podem tanto ajudar como prejudicar as perdas, dependendo de como são crescidos e gravados. As linhas de fabrico têm de equilibrar o desempenho dos qubits com rendimento, uniformidade e custo por wafer. As infraestruturas criogénicas ainda dominam os orçamentos de energia e o espaço físico; criogenia mais barata e multiplexagem inteligente continuam a ser grandes alavancas.

A aposta quântica do Reino Unido, desde pilotos de fábrica a eletrónica de controlo criogénico, encaixa bem nesta tendência. Se o tântalo em silício demonstrar ser robusto, parcerias ao estilo foundry tornam-se realistas e as equipas de algoritmos podem planear em torno de circuitos mais profundos, em vez de contornarem constantemente o ruído. Esta é a verdadeira mudança silenciosa por trás do título: mais tempo no relógio permite mais computação real, e não apenas demonstrações cuidadosas.