miniaturadaimagem|327x327px|Uma equipe de laboratório monta uma parte criogênica de um computador quântico supercondutor. Isso fornece o resfriamento necessário aos processadores supercondutores para quase o zero absoluto (-273,1 °C) A computação quântica supercondutora é um ramo da computação quântica e da física do estado sólido que implementa circuitos eletrônicos supercondutores como qubits em um processador quântico. Esses dispositivos são tipicamente circuitos eletrônicos de frequência de micro-ondas que contêm junções Josephson, os quais são fabricados em chips de estado sólido.

Os circuitos supercondutores são uma das muitas implementações físicas possíveis de qubits, o equivalente no computador quântico de um bit tradicional em um computador clássico. Qubits referem-se a um sistema mecânico quântico de dois estados e têm dois estados lógicos, o estado fundamental e o estado excitado, frequentemente denotados por (do inglês ground e excited), ou . As implementações de computação quântica supercondutora são categorizadas como computadores quânticos de "estado sólido", onde os qubits são intrinsecamente integrados em um dispositivo de estado sólido. Computadores quânticos de estado sólido também utilizam técnicas de fabricação desenvolvidas para a computação clássica de estado sólido.

A arquitetura supercondutora é o método dominante na indústria para o desenvolvimento de unidades de processamento quântico (QPUs). A pesquisa em computação quântica supercondutora é conduzida por empresas como Google, IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti e Intel. Alternativas aos qubits supercondutores incluem íons aprisionados e átomos neutros.

A pesquisa contínua em computação quântica supercondutora inclui a melhoria em nível de dispositivo, o desenvolvimento de métodos de correção de erros e a demonstração da vantagem quântica ao comparar o desempenho de um processador quântico com o de um computador clássico.

História Os computadores quânticos foram propostos pela primeira vez por Richard Feynman, que, em 1982, sugeriu o uso de um computador desse tipo para simular e compreender as propriedades de outros sistemas quânticos. Na década de 1990, foram publicados dois algoritmos quânticos que estimularam ainda mais o interesse na concretização de computadores quânticos. Peter Shor propôs o algoritmo de Shor, um algoritmo quântico para encontrar os fatores primos de um número inteiro, o que, em teoria, poderia quebrar a criptografia RSA. Da mesma forma, Lov Grover propôs o algoritmo de busca de Grover, que fornece uma alternativa à busca binária que pode ser executada com aceleração quadrática. miniaturadaimagem|O processador quântico supercondutor IBM Heron, fotografado acima em 2023, é baseado em qubits transmon e faz parte de um dos primeiros computadores quânticos comerciais baseados em circuitos. Na época, os circuitos quânticos supercondutores já estavam sendo usados para construir dispositivos SQUID altamente sensíveis e também para demonstrar fenômenos quânticos macroscópicos, como níveis de energia quantizados. Tornou-se evidente que esses qubits supercondutores poderiam ser usados para alcançar a computação quântica. Isso era especialmente verdadeiro porque essas abordagens de "estado sólido" para a computação quântica eram vistas como muito mais viáveis do que outras da época, incluindo a computação quântica por ressonância magnética nuclear (RMN), devido, em parte, ao fato de que as técnicas de fabricação existentes seriam aplicáveis.

Em 1999, um artigo foi publicado por Yasunobu Nakamura, demonstrando o primeiro qubit supercondutor. Trata-se de uma forma de caixa de par de Cooper, agora conhecida como "qubit de carga". Embora o design tenha sido proposto em 1997 pela equipe de Saclay (incluindo Devoret), este artigo foi o primeiro a mostrar controle coerente e leitura, na forma de oscilações de Rabi entre os estados fundamental e excitado do qubit. No entanto, mesmo após este primeiro resultado, não estava claro se os qubits supercondutores seriam viáveis, e alguns argumentavam que o sistema não era verdadeiramente capaz de conter informação quântica. Parte do problema era que este design inicial mantinha a coerência por menos de um nanossegundo, não o suficiente para fazer nenhum cálculo. miniaturadaimagem|John M. Martinis, o ganhador do prêmio Nobel de física de 2025, liderou a equipe do Google Quantum AI que construiu o processador Sycamore, que, em 2019, reivindicou a primeira evidência de supremacia quântica. Nos anos seguintes, vários outros qubits supercondutores foram inventados, incluindo o qubit de fase, qubit de fluxo, quatronium, o qubit transmon e o fluxonium. O design transmon, que reduziu a sensibilidade ao ruído de carga, é agora amplamente e principalmente usado na computação quântica supercondutora. Desenvolvimentos adicionais em leitura e design permitiram que os qubits transmon supercondutores atingissem tempos de coerência de milissegundos.

O Google, em 2016, implementou 16 qubits para transmitir uma demonstração do Modelo Fermi-Hubbard. Em outro experimento, o Google usou 17 qubits para otimizar o Modelo Sherrington-Kirkpatrick. Em 2019, o Google produziu o computador quântico Sycamore, que realizou uma tarefa em 200 segundos que o Google alegou que levaria 10.000 anos em um computador clássico. A tarefa foi a amostragem aleatória de circuitos, um benchmark comum para reivindicações de "supremacia quântica" ou vantagem quântica.

A partir de 2025, os processadores quânticos supercondutores excederam 1.000 qubits, sendo o maior o IBM Condor, um processador quântico de 1.121 qubits. Em 2025, o Google anunciou uma das primeiras vantagens quânticas independentemente verificáveis em hardware usando o processador Willow.

Contexto

Computação quântica

Os modelos de computação clássica dependem de implementações físicas consistentes com as leis da mecânica clássica. Alguns sistemas muito pequenos, ou certos sistemas sob condições extremas, são descritos pela mecânica quântica, que obedece a conjuntos diferentes de regras físicas.

A computação quântica é um método de construir um sistema quântico com o propósito de codificar informações. As aplicações de um computador quântico incluiriam a simulação de fenômenos quânticos além do escopo da aproximação clássica e a aceleração de certos cálculos, particularmente aqueles que envolvem um "oráculo". Acredita-se que certos algoritmos projetados para computadores quânticos, como o algoritmo de busca de Grover ou o algoritmo de Shor, sejam capazes de fazer alguns cálculos melhor do que seus equivalentes clássicos.

A computação quântica baseada em portas é um método de computação quântica que, muito parecido com a computação tradicional, usa qubits (análogos aos bits) e portas quânticas (análogas às portas clássicas).

Qubits

Um qubit é qualquer sistema de dois níveis na mecânica quântica. Muito parecido com um bit clássico, é um sistema com dois estados possíveis. No entanto, a diferença reside no fato de que, como um qubit obedece às leis da mecânica quântica, ele é capaz de ocupar uma superposição quântica de ambos os estados. miniaturadaimagem|A definição geral de um qubit (bit quântico) é o estado quântico de um sistema quântico de dois níveis O principal requisito para construir fisicamente um qubit é a capacidade de abordar individualmente os dois primeiros estados, neste caso os níveis de energia, do sistema. Isso é difícil, pois a maioria dos sistemas contém um número quase infinito de níveis de energia. Em computadores quânticos supercondutores, esses qubits são construídos usando circuitos ressonantes supercondutores. Cada qubit supercondutor é essencialmente um circuito LC não linear com um capacitor e uma junção Josephson, um elemento supercondutor com uma indutância não linear. Como o circuito é não linear, há um espaçamento desigual entre seus níveis de energia, permitindo que os dois primeiros estados sejam endereçáveis individualmente.

Em teoria, devido à sua não linearidade, o qubit é afetado apenas por fótons com a diferença de energia necessária para saltar do estado fundamental para o estado excitado. Na prática, no entanto, o ruído no sistema ainda pode fazer com que ele deixe o subespaço computacional. Em muitos casos, os níveis de energia mais altos de um qubit supercondutor precisam ser considerados. Isso é especialmente verdadeiro em transmons, que têm uma anarmonicidade fraca por design.

Como o circuito é supercondutor, ele tem resistência zero e dissipa quase nenhuma energia. No entanto, isso tem o preço de temperaturas de operação extremamente baixas.

Portas quânticas

Uma porta quântica é uma generalização de uma porta lógica que descreve a transformação de qubits de seu estado inicial para um estado diferente, frequentemente uma superposição. miniaturadaimagem|266x266px|Uma porta Toffoli de três qubits (CCNOT) é implementada usando uma combinação de portas de um e dois qubits. As portas Toffoli foram implementadas experimentalmente usando três qubits transmon supercondutores acoplados a um ressoador de micro-ondas. Em qubits supercondutores, as portas quânticas são implementadas como pulsos microscópicos aplicados ao circuito usando ressoadores de micro-ondas. Os pulsos são enviados através de ressoadores acoplados capacitivamente ao qubit, que são osciladores harmônicos desafinados do próprio qubit. Ao aplicar um acionamento externo ao qubit, a evolução unitária normal do sistema implementa uma porta de um único qubit após um certo período de tempo ter passado.

Portas de dois qubits, como a porta iSWAP, podem ser alcançadas através de troca coerente ou acoplamento paramétrico entre dois qubits. Na troca coerente, a frequência de transição de um dos qubits é ajustada de forma a corresponder à frequência de transição do segundo qubit. Este método baseia-se na capacidade de ajuste de frequência do qubit e não funciona em casos de frequência fixa. O acoplamento paramétrico, por outro lado, é feito alterando a constante de acoplamento entre dois qubits na soma ou diferença de suas duas frequências.

Critérios para um processador quântico viável Existem muitas implementações físicas possíveis de qubits, sendo os circuitos supercondutores uma delas. Para que uma determinada implementação seja considerada viável para a construção de um computador quântico, um conjunto de critérios é o de DiVincenzo, um conjunto de critérios para a implementação física da computação quântica supercondutora. Os cinco critérios iniciais garantem que o computador quântico esteja alinhado com os postulados da mecânica quântica, e os dois restantes dizem respeito à retransmissão dessas informações por uma rede.

Os qubits supercondutores já atendem a um grande número dos critérios de DiVincenzo. Eles já são altamente escaláveis do ponto de vista da fabricação, podem ser inicializados por relaxamento térmico e portas de um único qubit combinadas com portas de dois qubits formam um conjunto de portas universais. No entanto, os qubits supercondutores ainda lutam com tempos de coerência curtos, tornando a preservação da informação quântica um desafio.

Supercondutores

Os qubits supercondutores são circuitos feitos de material metálico supercondutor. A supercondutividade é um fenômeno que ocorre em alguns metais a baixas temperaturas, onde a corrente elétrica experimenta resistência zero em um material, permitindo que a corrente flua sem perda de energia e seja quase sem dissipação. miniaturadaimagem|Em um supercondutor, elétrons fracamente emparelhados (vermelho) conhecidos como pares de Cooper, podem evitar distúrbios ao se moverem através da rede