O que é computação quântica? A próxima era da evolução computacional, explicada

Quando você se depara pela primeira vez com o termo “computador quântico”, você pode considerá-lo um conceito distante de ficção científica, em vez de uma notícia séria e atual.

Mas com a frase sendo usada com frequência cada vez maior, é compreensível se perguntar exatamente o que são os computadores quânticos, e igualmente compreensível não saber onde mergulhar. Aqui está um resumo do que são os computadores quânticos, por que há tanto burburinho em torno deles e o que eles podem significar para você.

O que é computação quântica e como funciona?

Toda a computação depende de bits, a menor unidade de informação que é codificada como um estado “ligado” ou “desligado”, mais comumente referido como 1 ou 0, em algum meio físico ou outro.

Na maioria das vezes, um bit assume a forma física de um sinal elétrico viajando pelos circuitos da placa-mãe do computador. Ao agrupar vários bits, podemos representar coisas mais complexas e úteis, como texto, música e muito mais.

As duas principais diferenças entre bits quânticos e bits “clássicos” (dos computadores que usamos hoje) são a forma física que os bits assumem e, correspondentemente, a natureza dos dados neles codificados. Os bits elétricos de um computador clássico só podem existir em um estado por vez, 1 ou 0.

Bits quânticos (ou “qubits”) são feitos de partículas subatômicas, nomeadamente fótons ou elétrons individuais. Como essas partículas subatômicas obedecem mais às regras da mecânica quântica do que à mecânica clássica, elas exibem as propriedades bizarras das partículas quânticas. A mais saliente dessas propriedades para os cientistas da computação é a superposição. Esta é a ideia de que uma partícula pode existir em vários estados simultaneamente, pelo menos até que esse estado seja medido e entre em colapso em um único estado. Ao aproveitar esta propriedade de superposição, os cientistas da computação podem fazer qubits codificar 1 e 0 ao mesmo tempo.

A outra peculiaridade da mecânica quântica que faz os computadores quânticos funcionarem é o emaranhamento, uma ligação de duas partículas quânticas ou, neste caso, dois qubits. Quando as duas partículas estão emaranhadas, a mudança no estado de uma partícula alterará o estado de sua parceira em um maneira previsível, o que é útil quando chega a hora de fazer com que um computador quântico calcule a resposta para o problema você o alimenta.

Os qubits de um computador quântico começam em seu estado híbrido 1 e 0 quando o computador inicialmente começa a resolver um problema. Quando a solução é encontrada, os qubits em superposição colapsam para a orientação correta de 1s e 0s estáveis ​​para retornar a solução.

Qual é o benefício da computação quântica?

Além do fato de que eles estão muito além do alcance de todos, exceto das equipes de pesquisa de elite (e provavelmente continuarão assim por um tempo), a maioria de nós não gosta muito de computadores quânticos. Eles não oferecem nenhuma vantagem real sobre os computadores clássicos para os tipos de tarefas que realizamos na maior parte do tempo.

No entanto, mesmo os supercomputadores clássicos mais formidáveis ​​têm dificuldade em resolver certos problemas devido à sua complexidade computacional inerente. Isso ocorre porque alguns cálculos só podem ser realizados por força bruta, adivinhando até que a resposta seja encontrada. Eles acabam com tantas soluções possíveis que levaria milhares de anos para que todos os supercomputadores do mundo juntos encontrassem a solução correta.

A propriedade de superposição exibida pelos qubits pode permitir que os supercomputadores reduzam drasticamente esse tempo de adivinhação. Os laboriosos cálculos de tentativa e erro da computação clássica só podem fazer uma suposição de cada vez, enquanto o estado duplo 1 e 0 dos qubits de um computador quântico permite que ele faça várias suposições ao mesmo tempo tempo.

Então, que tipo de problemas exigem todo esse cálculo demorado de suposições? Um exemplo é a simulação de estruturas atômicas, especialmente quando elas interagem quimicamente com as de outros átomos. Com um computador quântico alimentando a modelagem atômica, os pesquisadores da ciência dos materiais poderiam criar novos compostos para uso em engenharia e manufatura. Os computadores quânticos são adequados para simular sistemas igualmente complexos, como forças económicas de mercado, dinâmicas astrofísicas ou padrões de mutação genética em organismos, para citar apenas alguns.

No entanto, entre todas estas aplicações geralmente inofensivas desta tecnologia emergente, existem também alguns usos de computadores quânticos que levantam sérias preocupações. De longe, o dano mais frequentemente citado é o potencial dos computadores quânticos para quebrar alguns dos algoritmos de criptografia mais fortes atualmente em uso.

Nas mãos de um adversário governamental estrangeiro agressivo, os computadores quânticos poderiam comprometer uma ampla faixa de tráfego de Internet que de outra forma seria seguro, deixando comunicações sensíveis suscetíveis a ataques generalizados vigilância. Atualmente, está sendo realizado trabalho para amadurecer as cifras de criptografia com base em cálculos que ainda são difíceis até mesmo para computadores quânticos, mas nem todos estão prontos para o horário nobre ou amplamente adotados no momento.

A computação quântica é mesmo possível?

Há pouco mais de uma década, a fabricação real de computadores quânticos estava apenas em seus estágios iniciais. A partir da década de 2010, porém, o desenvolvimento de protótipos funcionais de computadores quânticos decolou. Várias empresas montaram computadores quânticos funcionais há alguns anos, com a IBM chegando ao ponto de permitir que pesquisadores e amadores execute seus próprios programas através da nuvem.

Apesar dos avanços que empresas como a IBM sem dúvida fizeram para construir protótipos funcionais, os computadores quânticos ainda estão na sua infância. Atualmente, os computadores quânticos que as equipes de pesquisa construíram até agora exigem muita sobrecarga para executar a correção de erros. Para cada qubit que realmente realiza um cálculo, há várias dezenas cuja função é compensar o erro cometido. A agregação de todos esses qubits forma o que é chamado de “qubit lógico”.

Resumindo, titãs da indústria e da academia conseguiram fazer com que os computadores quânticos funcionassem, mas o fazem de maneira muito ineficiente.

Quem tem um computador quântico?

A competição acirrada entre pesquisadores de computadores quânticos ainda persiste, tanto entre grandes quanto pequenos participantes. Entre aqueles que possuem computadores quânticos em funcionamento estão as empresas de tecnologia tradicionalmente dominantes que seria de esperar: IBM, Intel, Microsoft e Google.

Por mais exigente e caro que seja o empreendimento de criar um computador quântico, há um número surpreendente de empresas menores e até mesmo startups que estão enfrentando o desafio.

O comparativamente magro A D-Wave Systems impulsionou muitos avanços no campo e provou que não estava fora de disputa ao responder ao importante anúncio do Google com a notícia de um grande negócio com Los Alamos National Labs. Ainda assim, concorrentes menores como a Rigetti Computing também estão concorrendo estabelecendo-se como inovadores em computação quântica.

Dependendo de para quem você perguntar, você terá um pioneiro diferente para o computador quântico “mais poderoso”. O Google certamente defendeu seu caso recentemente com seu conquista da supremacia quântica, uma métrica que o próprio Google mais ou menos desenvolveu. A supremacia quântica é o ponto em que um computador quântico é capaz de superar pela primeira vez um computador clássico em alguns cálculos. Protótipo Sycamore do Google equipado com 54 qubits foi capaz de quebrar essa barreira ao resolver um problema em pouco menos de três minutos e meio que o mais poderoso supercomputador clássico levaria 10.000 anos para produzir através.

Para não ficar para trás, a D-Wave se orgulha de que os dispositivos que em breve fornecerá para Los Alamos pesam 5.000 qubits cada, embora deva ser observado que a qualidade dos qubits do D-Wave já foi questionada antes. A IBM não causou o mesmo impacto que o Google e o D-Wave nos últimos anos, mas eles também não devem ser excluídos ainda, especialmente considerando sua trajetória registro de realizações lentas e constantes.

Simplificando, a corrida pelo computador quântico mais poderoso do mundo está tão aberta como sempre esteve.

A computação quântica substituirá a computação tradicional?

A resposta curta a isto é “na verdade não”, pelo menos no futuro próximo. Os computadores quânticos requerem um imenso volume de equipamentos e ambientes bem ajustados para funcionar. A arquitetura líder requer resfriamento a meros graus acima do zero absoluto, o que significa que eles não são nem de longe práticos para os consumidores comuns possuírem.

Mas, como a explosão da computação em nuvem provou, não é necessário possuir um computador especializado para aproveitar seus recursos. Como mencionado acima, a IBM já está oferecendo aos tecnófilos ousados ​​a oportunidade de executar programas em um pequeno subconjunto de seus Qubits do Q System One. Com o tempo, a IBM e os seus concorrentes provavelmente venderão tempo de computação em computadores quânticos mais robustos para aqueles interessados ​​em aplicá-los a problemas que de outra forma seriam inescrutáveis.

Mas se você não estiver pesquisando os tipos de problemas excepcionalmente complicados que os computadores quânticos pretendem resolver, provavelmente não interagirá muito com eles. Na verdade, os computadores quânticos são, em alguns casos, piores no tipo de tarefas para as quais usamos os computadores todos os dias, simplesmente porque os computadores quânticos são muito hiperespecializados. A menos que você seja um acadêmico executando o tipo de modelagem em que a computação quântica prospera, provavelmente nunca conseguirá uma, e nunca precisará.

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