Um computador quântico aproveita alguns dos fenômenos quase místicos da mecânica quântica para alcançar, ou pelo menos esperamos, enormes saltos no poder computacional. Os computadores quânticos prometem superar até mesmo os supercomputadores mais poderosos de hoje – e de amanhã.
No entanto, eles não herdarão imediatamente os computadores tradicionais. A utilização de computadores clássicos continuará a ser a solução mais simples e econômica para a maioria das aplicações. No entanto, os computadores quânticos prometem avanços emocionantes em inúmeras áreas, desde a ciência dos materiais até a descoberta de medicamentos. As empresas já os experimentam há muito tempo, por exemplo, para desenvolver baterias mais leves e potentes para carros elétricos ou para encontrar novos ingredientes ativos. A tecnologia sempre tem uma coisa em comum: o segredo do desempenho de um computador quântico está na sua capacidade de gerar bits quânticos (qubits) e trabalhar com eles.
1. O que é um Qubit?
Sabe-se que os computadores atuais usam bits, pulsos elétricos ou ópticos, que representam 1 (ligado) ou 0 (desligado). Tudo o que é digital – desde um tweet ou e-mail até uma música no iTunes ou um vídeo do YouTube – é essencialmente composto de longas sequências desses dígitos binários.
Os computadores quânticos, por outro lado, usam qubits. Estes são “estados” de partículas subatômicas, como elétrons ou fótons. (Quando os físicos falam sobre os sistemas quânticos estarem num determinado “estado”, eles querem dizer, por exemplo, que eles têm uma certa energia, estão em um determinado lugar ou estão se movendo a uma certa velocidade).
A criação e manipulação de qubits é um desafio científico e técnico. Algumas empresas, como IBM, Google e Rigetti Computing, utilizam circuitos supercondutores que são resfriados a temperaturas mais frias que o ambiente espacial. Outras empresas, como a Ionq, prendem átomos individuais eletricamente carregados em campos eletromagnéticos em um chip de silício em câmaras de ultra-alto vácuo. Em ambos os casos, o objetivo é isolar os qubits num estado quântico controlado.
Qubits têm algumas propriedades quânticas inexplicáveis à primeira vista, o que significa que um grupo conectado de qubits pode atingir muito mais poder de computação do que o mesmo número de bits binários. Uma dessas propriedades é conhecida como superposição quântica, outra como emaranhamento quântico.
2. O que é superposição?
Qubits podem representar inúmeras combinações possíveis de 1 e 0 ao mesmo tempo. Essa capacidade de estar em vários estados ao mesmo tempo é chamada de superposição. Para levar os qubits até lá, os pesquisadores os manipulam com lasers de precisão ou feixes de micro-ondas.
Graças a este fenômeno, que é contra-intuitivo para os humanos, um computador quântico com vários qubits em sobreposição pode calcular um grande número de resultados possíveis ao mesmo tempo. O resultado final de um cálculo só surge quando os qubits são medidos, o que significa que o seu estado quântico “colapsa” imediatamente para 1 ou 0, como se costuma dizer.
3. O que é emaranhamento?
Os pesquisadores podem criar pares de qubits “emaranhados”, o que significa que dois membros de um par estão em um único estado quântico. Se o estado de um dos qubits mudar, o estado do outro muda imediatamente e de forma previsível. Isso acontece mesmo quando eles estão separados um do outro por distâncias muito grandes.
Ninguém ainda sabe realmente como ou por que funciona o emaranhamento quântico. Até Einstein, que certa vez descreveu isso como “ação assustadora à distância”, ficou surpreso. Mas é a chave para o desempenho dos computadores quânticos. Em um computador convencional, o poder de computação praticamente dobra se você dobrar o número de bits. Mas, graças ao emaranhamento quântico, a adição de qubits adicionais leva a um aumento exponencial no poder computacional de um computador quântico.
Os computadores quânticos então os usam em uma espécie de cadeia quântica. O resultado é quase mágico: a capacidade dessas máquinas de acelerar cálculos usando algoritmos quânticos especialmente projetados é a razão pela qual seu potencial está gerando tanto entusiasmo.
Essa é a boa notícia. A má notícia é que os computadores quânticos são muito mais propensos a erros do que os computadores clássicos devido a algo chamado decoerência.
4. O que é decoerência?
A interação dos qubits com seu ambiente de uma forma que faz com que o comportamento quântico “decaia” e eventualmente desapareça é chamada de decoerência. O estado quântico é extremamente sensível. A menor vibração ou mudança de temperatura – chamada de “ruído” na linguagem quântica – pode fazer com que eles saiam da superposição antes que seu trabalho seja concluído. É por isso que os pesquisadores fazem o possível para proteger os qubits do mundo exterior em câmaras de resfriamento e vácuo.
Mas apesar dos seus esforços, o ruído quântico ainda introduz muitos erros nos cálculos. Algoritmos quânticos inteligentes pode compensar alguns desses erros e adicionar mais qubits também ajuda. No entanto, provavelmente são necessários milhares de qubits padrão para criar um qubit único e altamente confiável, chamado de qubit “lógico”. No entanto, isso ocupará grande parte da capacidade computacional de um computador quântico.
Até agora, as empresas estão trabalhando na criação de processadores com cada vez mais qubits. A IBM, por exemplo, apresentou isso em 2021 sob o nome Eagle, um sistema com um número recorde de 127 qubits antes. Em novembro de 2022 o Processador Osprey com 433 qubits lançado. Isso aconteceu em dezembro de 2023 Processador IBM Condor com 1.121 qubits. Mas isso foi superado pelo desenvolvimento de uma startup chamada Atom Computing, que lançou seu computador quântico de 1.180 qubits em outubro anterior.
But despite the record reports, there is also an emerging trend for “modular” quantum computers, in which multiple processors are connected to each other. The Heron quantum chip, which will also be introduced by IBM in 2023, has only 133 qubits, but is considered up to five times more powerful than the 127-qubit Eagle. According to the company, the qubits are of much better quality, so IBM plans to be able to perform up to 5,000 consecutive qubit operations in 2024 without significant problems. The goal of all these developments is called “quantum supremacy.”
5. O que é a supremacia quântica?
Este é o ponto em que um computador quântico pode realizar um cálculo matemático que é comprovadamente inatingível até mesmo pelo supercomputador mais poderoso, porque leva muito tempo.
Ainda não está claro exatamente quantos qubits serão necessários para conseguir isso, à medida que os pesquisadores continuam a encontrar novos algoritmos para aumentar o desempenho dos computadores clássicos e o hardware dos supercomputadores continua a melhorar. No entanto, investigadores e empresas estão a trabalhar arduamente para garantir o título no topo, Testes com alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo levar a cabo.
Há muita discussão no mundo da pesquisa sobre quão significativo será atingir esse marco. Em vez de esperar que a supremacia quântica seja declarada, as empresas já estão experimentando os atuais computadores quânticos de empresas como IBM, Rigetti e D-Wave, uma empresa canadense. Empresas chinesas como a Alibaba também oferecem acesso a computadores quânticos. Algumas empresas compram computadores quânticos, outras usam computadores que são através de serviços de computação em nuvem ser provido.
6. Onde os computadores quânticos serão mais úteis primeiro?
Uma das aplicações mais promissoras dos computadores quânticos é a Simulação do comportamento da matéria até o nível molecular. Fabricantes de automóveis como Volkswagen e Daimler estão usando computadores quânticos para simular a composição química de baterias de carros elétricos para encontrar novas maneiras de melhorar seu desempenho. E as empresas farmacêuticas utilizam-nos para analisar e comparar compostos medicamentosos que podem levar ao desenvolvimento de novos medicamentos.
Os computadores atuais também são ótimos para problemas de otimização porque podem passar por um grande número de soluções possíveis com extrema rapidez. A Airbus, por exemplo, utiliza-o para calcular as trajetórias de subida e descida mais eficientes em termos de combustível para aeronaves. E a Volkswagen introduziu um serviço que calcula as rotas ideais para ônibus e táxis nas cidades para minimizar engarrafamentos. Alguns pesquisadores também acreditam que os computadores quânticos para acelerar a inteligência artificial poderia ser usado.
No entanto, provavelmente levará alguns anos até que os computadores quânticos desenvolvam todo o seu potencial. As universidades e as empresas que nelas trabalham têm com falta de pesquisadores qualificados lutar nesta área – e por vezes também com falta de fornecedores para alguns dos componentes-chave complexos. Mas se estes novos computadores exóticos cumprirem o que prometem, poderão transformar indústrias inteiras e estimular a inovação em todo o mundo.