O que é um computador quântico?
Computação

O que é um computador quântico?

Como funciona, por que é tão poderoso e onde, a princípio, é provável que seja mais útil

Um computador quântico tira proveito de alguns dos fenômenos quase místicos da mecânica quântica para obter grandes aumentos no poder de processamento. Eles prometem superar até os mais capacitados dos supercomputadores de hoje – e de amanhã.

No entanto, eles não vão acabar com os computadores convencionais. Usar uma máquina clássica ainda será a solução mais fácil e econômica para enfrentar a maioria dos problemas. Mas os computadores quânticos prometem impulsionar avanços impressionantes em vários campos, da ciência dos materiais à pesquisa farmacêutica. As empresas já estão realizando experiências com eles para desenvolver facilidades como baterias mais leves e mais poderosas para carros elétricos e para ajudar a criar novos medicamentos.

O segredo do poder de um computador quântico está em sua capacidade de gerar e manipular bits quânticos, ou qubits.

O que é um qubit?

Os computadores de hoje usam bits – um fluxo de pulsos elétricos ou ópticos representando 1s ou 0s. Tudo, desde seus tweets e e-mails às músicas do iTunes e vídeos do YouTube, são essencialmente longas sequências desses dígitos binários.

Os computadores quânticos, por outro lado, usam qubits, que geralmente são partículas subatômicas, como elétrons ou fótons. Gerar e gerenciar qubits é um desafio científico e de engenharia. Algumas empresas, como IBM, Google e Rigetti Computing, usam circuitos supercondutores resfriados a temperaturas mais frias que o espaço profundo. Outras, como o IonQ, prendem átomos individuais em campos eletromagnéticos em um chip de silício em câmaras ultra-alto vácuo. Nos dois casos, o objetivo é isolar os qubits em um estado quântico controlado.

Qubits têm algumas propriedades quânticas peculiares, o que significa que um grupo conectado pode fornecer muito mais poder de processamento do que o mesmo número de bits binários. Uma dessas propriedades é conhecida como superposição e outra é chamada emaranhamento.

O que é superposição quântica?

Qubits podem representar inúmeras combinações possíveis de 1 e 0 ao mesmo tempo. Essa capacidade de estar simultaneamente em vários estados é chamada de superposição. Para colocar qubits em superposição, pesquisadores os manipulam usando lasers de precisão ou raios de micro-ondas.

Graças a esse fenômeno contraintuitivo, um computador quântico com vários qubits em superposição pode processar um vasto número de possíveis resultados simultaneamente. O resultado final de um cálculo emerge apenas quando os qubits são medidos, o que imediatamente faz com que seu estado quântico “colapse” para 1 ou 0.

O que é emaranhamento quântico?

Os pesquisadores podem gerar pares de qubits “emaranhados”, o que significa que os dois membros de um par existem em um único estado quântico. Alterar o estado de um dos qubits instantaneamente altera o estado do outro de maneira previsível. Isso acontece mesmo se eles forem separados por longas distâncias.

Ninguém sabe realmente como ou por que o entrelaçamento funciona. Ele até desconcertou Einstein, que o descreveu como “ação assustadora à distância”. Mas é a chave para o poder dos computadores quânticos. Em um computador convencional, dobrar o número de bits dobra sua capacidade de processamento. Porém, graças ao entrelaçamento, a adição de qubits extras a uma máquina quântica produz um aumento exponencial em sua capacidade de processamento de números.

Os computadores quânticos utilizam qubits emaranhados em uma espécie de cadeia quântica para trabalhar sua mágica. A capacidade das máquinas de acelerar os cálculos usando algoritmos quânticos especialmente projetados é o motivo pelo qual há tanto burburinho sobre seu potencial.

Essa é a boa notícia. A má notícia é que as máquinas quânticas são muito mais propensas a erros do que os computadores clássicos por causa da decoerência.

O que é decoerência?

Este é o fenômeno pelo qual a interação dos qubits com seu ambiente faz com que seu comportamento quântico decaia e finalmente desapareça. Seu estado quântico é extremamente frágil. A menor vibração ou mudança de temperatura – distúrbios conhecidos como “ruído” na fala quântica – pode fazer com que eles caiam da superposição antes que seu trabalho seja realizado adequadamente. É por isso que os pesquisadores fazem o possível para proteger qubits do mundo exterior nessas geladeiras e câmaras de vácuo super-resfriadas.

Mas, apesar dos esforços, o ruído ainda causa muitos erros nos cálculos. Algoritmos quânticos inteligentes podem compensar alguns deles, e adicionar mais qubits também ajuda. No entanto, provavelmente serão necessários milhares de qubits padrão para criar um único e altamente confiável, conhecido como qubits “lógico”. Isso esgotará grande parte da capacidade computacional de um computador quântico.

E aqui está o problema: até agora, os pesquisadores não foram capazes de gerar mais de 128 qubits padrão. Portanto, ainda estamos muitos anos longe de conseguir computadores quânticos que sejam de grande utilidade.

Isso não minou as esperanças dos pioneiros de serem os primeiros a demonstrar “supremacia quântica”.

O que é a supremacia quântica?

É o ponto em que um computador quântico pode concluir um cálculo matemático que está comprovadamente além do alcance do até mesmo supercomputador mais poderoso.

Ainda não está claro exatamente quantos qubits serão necessários para conseguir isso, porque os pesquisadores continuam encontrando novos algoritmos para aumentar o desempenho de máquinas clássicas, e o hardware de supercomputação continua melhorando. Mas pesquisadores e empresas estão trabalhando duro para reivindicar o título e executando testes contra alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

Há muito debate no mundo da pesquisa sobre o quão significativo será alcançar esse marco. Em vez de esperar a supremacia ser declarada, as empresas já estão começando a experimentar computadores quânticos fabricados por companhias como IBM, Rigetti e a canadense D-Wave. Empresas chinesas como a Alibaba também estão oferecendo acesso a máquinas quânticas. Alguns negócios estão comprando computadores quânticos, enquanto outros estão usando aqueles disponibilizados por meio de serviços de cloud computing.

A princípio, onde um computador quântico provavelmente será mais útil?

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 das baterias de veículos elétricos e ajudar a encontrar novas maneiras de melhorar seu desempenho. E as empresas farmacêuticas estão aproveitando-os para analisar e comparar compostos que podem levar à criação de novos medicamentos.

As máquinas também são ótimas para problemas de otimização, porque podem processar um grande número de possíveis soluções com extrema rapidez. A Airbus, por exemplo, está usando os computadores quânticos para ajudar a calcular as rotas de subida e descida mais eficientes em termos de combustível para aeronaves. E a Volkswagen lançou um serviço que calcula os trajetos ideais para ônibus e táxis nas cidades, a fim de minimizar o congestionamento. Alguns pesquisadores também acham que as máquinas podem ser usadas para acelerar a inteligência artificial.

Pode demorar alguns anos para os computadores quânticos atingirem todo o seu potencial. As universidades e empresas que trabalham neles enfrentam uma escassez de pesquisadores qualificados na área – e uma falta de fornecedores de alguns componentes-chave. Mas se essas novas máquinas de computação exóticas cumprirem sua promessa, elas poderão transformar indústrias inteiras e acelerar a inovação global.

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