Um computador quântico tira proveito de alguns dos fenómenos quase místicos da mecânica quântica para obter grandes aumentos no poder de processamento. Prometem superar até os supercomputadores mais potentes dos dias de hoje – e de amanhã.
No entanto, estes não vão acabar com os computadores convencionais. Usar uma máquina clássica ainda será a solução mais fácil e económica 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 a realizar experiências para desenvolver componentes 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 na 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 que representam 1s ou 0s. Tudo, desde 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 subatómicas, como eletrões ou fotões. Gerar e gerenciar qubits é um desafio científico e de engenharia. Algumas empresas, como a IBM, Google e Rigetti Computing, usam circuitos supercondutores arrefecidos a temperaturas mais frias do que o espaço profundo. Outras, como o IonQ, prendem átomos individuais em campos eletromagnéticos num chip de silicone em câmaras ultra-alto vácuo. Nos dois casos, o objetivo é isolar os qubits num estado quântico controlado.
Os 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 a outra é chamada emaranhamento.
O que é a superposição quântica?
Os 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, investigadores manipulam-os usando lasers de precisão ou raios de micro-ondas.
Graças a esse fenómeno contraintuitivo, um computador quântico com vários qubits em superposição pode processar um vasto número de possíveis resultados em simultâneo. 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 o emaranhamento quântico?
Os investigadores podem gerar pares de qubits “emaranhados”, o que significa que os dois membros de um par existem num único estado quântico. Alterar o estado de um dos qubits instantaneamente altera o estado do outro de maneira previsível. Isso acontece mesmo se forem separados por longas distâncias.
Ninguém sabe realmente como ou por que o entrelaçamento funciona. Este fenómeno mexeu inclusivamente com Einstein, que o descreveu como “uma ação assustadora à distância”. Mas é a chave para o poder dos computadores quânticos. Num computador convencional, duplicar o número de bits duplica sua capacidade de processamento. Porém, graças ao entrelaçamento, a adição de qubits extras a uma máquina quântica produz um aumento exponencial na sua capacidade de processamento de números.
Os computadores quânticos utilizam qubits emaranhados numa espécie de cadeia quântica para trabalhar o seu funcionamento. A capacidade das máquinas de acelerar os cálculos usando algoritmos quânticos especialmente projetados é o motivo pelo qual há tanto “ruído” sobre o 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?
É o fenómeno pelo qual a interação dos qubits com o seu ambiente faz com que o seu comportamento quântico decaia e finalmente desapareça. O seu estado quântico é extremamente frágil. A menor vibração ou mudança de temperatura – distúrbios conhecidos como “ruído” na linguagem quântica – pode fazer com que eles caiam da superposição antes que seu trabalho seja realizado adequadamente. É por isso que os investigadores fazem o possível para proteger qubits do mundo exterior nesses frigoríficos e câmaras de vácuo super-resfriadas.
No entanto, apesar dos esforços, o ruído ainda causa muitos erros nos cálculos. Algoritmos quânticos inteligentes podem compensar alguns deles, e adicionar mais qubits também ajuda. Contudo, 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 investigadores 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 baixou as esperanças dos pioneiros em 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 potente.
Ainda não está claro exatamente quantos qubits serão necessários para consegui-lo, porque os investigadores continuam a descobrir novos algoritmos para aumentar o desempenho das máquinas clássicas, e o hardware de supercomputação continua a melhorar. Mas os investigadores e as empresas estão a trabalhar arduamente para reivindicar o título e a realizar 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 a começar a experimentar computadores quânticos fabricados por companhias como IBM, Rigetti e a canadiana D-Wave. Empresas chinesas como a Alibaba também estão a oferecer acesso a máquinas quânticas. Alguns negócios estão a comprar computadores quânticos, enquanto outros estão a usar aqueles disponibilizados por meio de serviços de cloud computing.
Onde é que 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 a Volkswagen e a Daimler estão a usar computadores quânticos para simular a composição química das baterias de veículos elétricos e ajudar a encontrar novas maneiras de melhorar o seu desempenho. Também as empresas farmacêuticas estão a aproveitar, 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 a utilizar os computadores quânticos para ajudar a calcular as rotas de subida e descida mais eficientes em termos de combustível para as aeronaves. E a Volkswagen lançou um serviço que calcula os trajetos ideais para autocarros e táxis nas cidades, a fim de minimizar o trânsito. Alguns investigadores defendem também 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 investigadores qualificados na área – e uma falta de fornecedores de alguns componentes-chave. Mas se essas novas máquinas de computação exóticas cumprirem a sua promessa, elas poderão transformar indústrias inteiras e acelerar a inovação global.
Artigo de Martin Giles, da MIT Technology Review (EUA) (adaptado).
MIT Technology Review