Pesquisadores do Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA alcançaram um avanço significativo na computação quântica que pode acelerar o caminho para aplicações quânticas práticas e energeticamente eficientes. Por meio do Centro Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS), uma equipe de cientistas desenvolveu uma técnica de encapsulamento de superfície que melhora drasticamente o desempenho de qubits supercondutores ao prevenir a formação de óxidos de superfície prejudiciais.

O que aconteceu

O avanço, publicado na npj Quantum Information em 2024, demonstra que, ao encapsular superfícies de qubits de nióbio com materiais como tântalo, ouro, nitreto de titânio e alumínio, os pesquisadores podem aumentar sistematicamente os tempos de relaxação T1—a medida de quanto tempo um qubit mantém seu estado quântico—em duas a cinco vezes em comparação com dispositivos de referência com óxidos de nióbio nativos.

"Apresentamos uma técnica de fabricação de qubits transmon que resulta em melhorias sistemáticas nos tempos de relaxação T1," escreveu a equipe de pesquisa em seu artigo. "Encapsulamos a superfície do nióbio e prevenimos a formação de seu óxido de superfície prejudicial."

Os resultados são impressionantes. Ao revestir o nióbio com tântalo, os pesquisadores obtiveram vidas médias de qubits acima de 200 microssegundos, com vidas medianas excedendo 300 microssegundos. O tântalo e o ouro provaram ser as camadas de revestimento mais eficazes, permitindo tempos médios de coerência de 0,3 milissegundos e valores máximos de até 0,6 milissegundos—entre os maiores tempos de vida já relatados para qubits supercondutores preparados em substratos de safira e silício.

Por que isso importa

O tempo de coerência é uma das limitações mais críticas na computação quântica, determinando por quanto tempo os algoritmos quânticos podem ser executados antes que o ruído ambiental destrua a delicada informação quântica. Atualmente, os qubits supercondutores normalmente mantêm a coerência por apenas 50 a 300 microssegundos, criando sérias restrições à complexidade computacional. Ao estender os tempos de coerência por meio de uma modificação química relativamente simples—encapsulando a superfície do qubit antes da exposição ao ar—esta técnica aborda um dos desafios fundamentais de engenharia da computação quântica.

Este avanço aproxima significativamente a computação quântica de aplicações práticas ao resolver um dos desafios de engenharia mais persistentes do campo. Tempos de coerência mais longos significam que os computadores quânticos podem executar algoritmos mais complexos, realizar mais cálculos antes que erros se acumulem e se aproximar da obtenção da "vantagem quântica"—resolver problemas que computadores clássicos não conseguem. A escalabilidade da técnica e sua compatibilidade industrial sugerem que aplicações práticas de computação quântica na descoberta de medicamentos, ciência dos materiais, otimização e criptografia podem chegar mais cedo do que o previsto anteriormente.

Contexto

Os qubits supercondutores estão entre as plataformas mais promissoras para a construção de computadores quânticos práticos, com empresas como IBM, Google e Rigetti fazendo avanços significativos nos últimos anos. No entanto, esses qubits são extremamente sensíveis a ruídos ambientais e defeitos de materiais. Uma das principais fontes de decoerência tem sido a formação de óxidos nativos na superfície do nióbio, o metal supercondutor comumente usado em qubits transmon. Esses óxidos criam "sistemas de dois níveis"—defeitos que absorvem e dissipam energia, encurtando o tempo de coerência do qubit. A estratégia de encapsulamento de superfície do SQMS Center aborda diretamente esse problema ao prevenir a formação de óxidos por meio de uma camada protetora.

O que observar a seguir

O SQMS Center e seus colaboradores—incluindo Northwestern University, Rigetti Computing, Ames National Laboratory, NIST Boulder e Louisiana State University—continuam refinando a técnica de encapsulamento de superfície e integrando-a em processadores quânticos de maior escala. A abordagem já está sendo incorporada em chips de 9 qubits que foram codesenvolvidos por pesquisadores do SQMS do Fermilab e da Rigetti, e pode ser escalada para sistemas muito maiores. Os pesquisadores também estão explorando materiais de encapsulamento alternativos e tratamentos de superfície que possam aumentar ainda mais os tempos de coerência. À medida que essas melhorias de materiais se combinam com avanços na correção de erros quânticos e design de algoritmos, o caminho para aplicações práticas de computação quântica continua a se acelerar.

Fontes

  • SQMS Center, Fermi National Accelerator Laboratory. (2024). Surface encapsulation technique for niobium qubits. npj Quantum Information. [Link para o artigo]
  • The Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center. (2024). Breakthrough in qubit coherence times. https://sqms-center.fnal.gov/
  • Rigetti Computing. (2024). Collaboration with SQMS Center on 9-qubit processor. https://www.rigetti.com/