Computação quântica para os curiosos

O que é computação quântica? Computadores normais operam de acordo com regras rígidas de lógica. Mas pequenos objetos quânticos – como elétrons ou fótons de luz – podem quebrar essas regras

Computação quântica é a idéia de que podemos usar essa quebra de regras quânticas para processar informações de uma nova forma – uma forma totalmente diferente de como computadores normais funcionam. Isto torna-os, em alguns casos, exponencialmente mais rápidos do que qualquer computador normal.

Por exemplo, um computador quântico poderia facilmente quebrar os códigos que mantêm o internet banking seguro.

Então, como um supercomputador?

Não exatamente. Um computador quantum não é apenas um computador “mais rápido”. Existem algumas tarefas específicas – como o factoring de números muito grandes – em que um computador quântico seria incrível. (É aqui que entra a quebra de código – veja abaixo.) Mas para a maioria dos trabalhos, um computador quântico seria pouco melhor que um computador normal.

Então para que um computador quântico poderia ser usado?

Serão provavelmente mais úteis para agências governamentais, empresas de pesquisa e desenvolvimento e universidades na resolução de problemas com os quais os computadores atuais lutam.

A primeira idéia prática, proposta pelo físico Richard Feynman em 1981, foi usar um computador quântico para simular a mecânica quântica. Isto teria um impacto na química e na biologia. Os químicos, por exemplo, poderiam modelar com precisão as interações medicamentosas e os biólogos poderiam estudar todas as formas possíveis de dobrar as proteínas e interagir umas com as outras.

Embora os computadores quânticos já tenham sido uma curiosidade acadêmica, o interesse explodiu em 1994, quando o matemático americano Peter Shor encontrou uma forma de usar computadores quânticos para quebrar códigos.

Correntemente, muitos sistemas de segurança online funcionam com o princípio de que é quase impossível pegar um número muito grande e descobrir quais são seus principais fatores. Tudo o que um computador normal pode fazer é tentar todas as possibilidades, uma após a outra – uma tarefa que pode levar bilhões de anos. Usando o algoritmo de Shor, um computador quântico poderia executar a tarefa em poucas horas.

Computadores quânticos também poderiam ser fantásticos no reconhecimento de padrões em dados – úteis para problemas de aprendizagem da máquina, como ser capaz de identificar diferentes objetos em uma imagem. Eles poderiam ser ótimos em construir modelos para prever o futuro, como na previsão do tempo a longo prazo.

Mas, em última análise, os usos da computação quântica são imprevisíveis. Considere que em 1943, Thomas Watson, o presidente da IBM disse: “Eu acho que há um mercado mundial para talvez cinco computadores”. Agora existem cinco em cada casa.

Se o precedente é algum guia, ainda não imaginamos quais serão os usos dos computadores quânticos.

Como funciona a computação quântica?

Computadores regulares são baseados em “bits” – imagine-os como pequenos switches apontando para um 1 ou um 0.

Computação quântica baseia-se em bits quânticos, ou “qubits”, que também podem representar um 0 ou um 1. O louco é que os qubits também podem alcançar um estado misto, chamado de “superposição”, onde ambos são 1 e 0 ao mesmo tempo. Esta ambiguidade – a capacidade de “ser” e “não ser” – é a chave para o poder da computação quântica.

Como a sobreposição ajuda?

A diferença entre computadores normais e computadores quânticos se resume a como eles se aproximam de um problema.

Um computador normal tenta resolver um problema da mesma forma que você pode tentar escapar de um labirinto – tentando todos os corredores possíveis, voltando para trás em becos sem saída, até que você eventualmente encontre a saída. Mas a superposição permite que o computador quântico tente todos os caminhos de uma vez – em essência, encontrando o atalho.

Dois bits no seu computador podem estar em quatro estados possíveis (00, 01, 10, ou 11), mas apenas um deles a qualquer momento. Isso limita o computador a processar uma entrada de cada vez (como tentar um corredor no labirinto).

Em um computador quântico, duas qubits também podem representar exatamente os mesmos quatro estados (00, 01, 10, ou 11). A diferença é que, devido à superposição, as qubits podem representar todos os quatro ao mesmo tempo. Isso é um pouco como ter quatro computadores normais rodando lado a lado.

Se você adicionar mais bits a um computador normal, ele ainda só pode lidar com um estado de cada vez. Mas à medida que você adiciona qubits, o poder do seu computador quântico cresce exponencialmente. Para os matematicamente inclinados, podemos dizer que se você tem “n” qubits, você pode representar simultaneamente 2n estados.)

É como aquela velha fábula sobre um antigo índio, chamado Sessa, que inventou o jogo de xadrez. O rei ficou encantado com o jogo e pediu à Sessa para dar um nome à sua recompensa. Sessa humildemente pediu um único tabuleiro de xadrez com um grão de trigo na primeira praça, dois na segunda, quatro na terceira e assim por diante. O rei concordou imediatamente, não percebendo que tinha prometido mais trigo do que o que existia na Terra. Esse é o poder de crescimento exponencial.

Apenas como cada quadrado dobrou o trigo de Sessa, cada qubit adicional duplica o poder de processamento. Três qubits dão-lhe 23, que são oito estados ao mesmo tempo; quatro qubits dão-lhe 24, que é 16. E 64 qubits? Dão-lhe 264, o que é 18.446.744.073.709.600.000 possibilidades! Isso é cerca de um milhão de terabytes no valor de.

Embora 64 bits regulares também possam representar esse enorme número (264) de estados, ele só pode representar um de cada vez. Para percorrer todas essas combinações, a dois bilhões por segundo (que é uma velocidade típica de um PC moderno), levaria cerca de 400 anos.

Tudo isso significa que computadores quânticos poderiam enfrentar problemas que são “praticamente impossíveis” para computadores clássicos.

Mas para conseguir essa velocidade exponencial, o destino de todas as qubits tem que estar ligado em um processo chamado emaranhado quântico. Este estranho fenômeno, que Einstein chamou de “ação assustadora à distância”, pode conectar partículas quânticas mesmo que elas estejam em extremos opostos do universo.

O que faz um qubit?

Para fazer um qubit, você precisa de um objeto que possa atingir um estado de superposição quântica entre dois estados.

Um núcleo atômico é um tipo de qubit. A direcção do seu momento magnético (é “spin”) pode apontar em diferentes direcções, digamos para cima ou para baixo em relação a um campo magnético.

O desafio está em colocar e depois abordar esse único átomo.

Uma equipa australiana liderada por Michelle Simmons na Universidade de New South Wales, fez qubits atómicos colocando um único átomo de fósforo numa posição conhecida dentro de um cristal de silício.

Outra ideia é tirar um electrão do átomo e transformá-lo num ião. Então você pode usar campos eletromagnéticos para suspender o íon no espaço livre, disparando lasers contra ele para mudar seu estado. Isto faz com que um “ião preso” quântico computador.

Uma corrente num laço de metal supercondutor também pode estar numa sobreposição (entre a direita e a esquerda), um pouco como uma pequena passadeira correndo para a frente e para trás ao mesmo tempo.

Um fotão de luz pode estar em sobreposição na direcção em que está a acenar. Alguns grupos têm montado circuitos quânticos enviando fotões em torno de um labirinto de fibras ópticas e espelhos.

Como se cria a sobreposição?

Tente equilibrar uma moeda exactamente no seu bordo? Isso é o que é programar um qubit. Envolve fazer algo a um qubit para que, de certa forma, ele acabe “equilibrado” entre estados.

No caso do núcleo atômico, isto pode ser através do zapping com um campo elétrico ou magnético, deixando-o com uma probabilidade igual de girar de uma forma ou de outra.

Então como você lê a informação dos qubits?

Existe uma aura da mística sobre o que acontece durante um cálculo quântico. Quanto mais os físicos que saem do caminho descrevem as qubits como se envolvendo numa sessão quântica com mundos paralelos para adivinhar a resposta.

Mas não é mágica, é apenas mecânica quântica.

Diga que você tem seu novo computador quântico de 64 qubits pronto e funcionando para seu primeiro cálculo. Você coloca todas as 64 qubits em superposição, assim como 64 moedas todas balanceadas na borda. Juntas, elas mantêm 264 estados possíveis no limbo. Você sabe que um desses estados representa a resposta certa. Mas qual deles?

O problema é que, ao ler as qubits, a sobreposição cai – como bater o punho na mesa com todas aquelas moedas equilibradas.

Aqui onde um algoritmo quântico como o Shor’s vem a calhar. Ele carrega as qubits para torná-las mais propensas a cair no lado correto, e nos dá a resposta certa.

Pois qualquer computador quântico já foi construído?

Aparentemente sim, embora nenhum deles possa fazer nada que ultrapasse os computadores convencionais ainda.

Nos últimos três anos, houve um progresso dramático na computação quântica. Enquanto em 2016 a revista Nature celebrava um computador de nove qubits desenvolvido por pesquisadores do Google. Dezoito meses depois, em dezembro de 2017, a IBM relatou seu computador quântico de 50 quitts. Em quatro meses, o Google tinha se antecipado novamente, com seu computador quantum “Bristlecone” de 72 qubits. Enquanto isso, a IBM produziu o primeiro computador quântico comercialmente disponível, fornecendo acesso em nuvem à sua máquina de 20 qubit Q System One, por um preço.

D-Wave ainda está muito à frente com sua criação usando 2000 loops supercondutores como qubits, embora alguns físicos estejam céticos que D-Wave construiu um verdadeiro computador quântico.

Todos os grandes jogadores têm o próximo grande marco na sua mira: a ‘supremacia quântica’. Isto significa quando um computador quântico resolve um problema que ultrapassa as capacidades das máquinas clássicas. Teoricamente isto deve ser possível com uma máquina de 50-qubit, mas apenas se as taxas de erro forem suficientemente baixas.

Por que é tão difícil construir um computador quântico?

Existem desafios em todos os níveis, desde a montagem de qubits, à leitura e escrita de informações sobre eles, até ao shuttling de informações para trás e para a frente sem que estas desapareçam num sopro de incerteza.

Um qubit é a derradeira diva. Enquanto uma estrela de Hollywood pode exigir um camarim gigantesco e um banho cheio de pétalas de rosa, um qubit exige um isolamento perfeito e um termostato fixado em um centésimo de grau acima do zero absoluto. A mínima vibração de um átomo próximo pode fazer com que um qubit lance uma birra quântica e perca sua superposição.

A dificuldade principal é como manter os delicados estados de superposição e emaranhamento por tempo suficiente para fazer um cálculo – o chamado tempo de coerência.

Apesar deste assustador desafio, a corrida para construir o primeiro computador quântico prático tornou-se um dos grandes desafios científicos do nosso tempo – envolvendo milhares de físicos e engenheiros em dezenas de institutos de pesquisa espalhados pelo mundo.