O que diabos é um computador quântico e o quanto eu deveria estar animado com isso?

Eles não ficam em cima da sua mesa e certamente não cabem no seu bolso. Hoje, eles são frágeis e precisam ser mantidos em temperaturas próximas ao zero absoluto. Os computadores quânticos não são muito parecidos com os PCs de mesa com os quais todos estamos familiarizados – eles são um tipo totalmente novo de máquina, capaz de cálculos tão complexos que é como saltar do preto e branco para todo um espectro de cores.

Ultimamente, você tem ouvido muito sobre computação quântica. Há notícias sobre como ela e . As universidades estão superestimando seus protótipos de , e e . Mas vamos lá, como isso funciona? O que isso faz? Quem está fazendo isso? E, o mais importante, por que você deveria se importar?

“Computadores quânticos mudam as regras dos computadores”

Apesar do que você ouviu, agora, a computação quântica está mais ou menos na mesma que a computação clássica estava nos anos 50, quando monstros do tamanho de uma sala rodavam usando válvulas a vácuo. Mas ela pode revolucionar a computação. Potencialmente. Talvez.

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Antes de aprender o que é um computador quântico e por que isso é importante, vamos detalhar a teoria matemática da mecânica quântica. Pode parecer esotérico, mas as regras da mecânica quântica governam a própria natureza das partículas que compõem nosso universo, incluindo as dos aparelhos eletrônicos.

Quando uma coisa é duas coisas ao mesmo tempo

Em nosso universo, estamos acostumados a uma coisa ser uma coisa. Uma moeda, por exemplo, pode ser cara ou coroa. Mas se a moeda seguisse as regras da mecânica quântica, ela estaria girando no ar. Então, até ela cair e olharmos para ela, não sabemos se é cara ou coroa. Efetivamente, é cara e coroa ao mesmo tempo.

Nós sabemos uma coisa sobre esta moeda. Existe uma probabilidade da moeda lançada ser cara ou coroa. Portanto, a moeda não é cara, não é coroa, é – por exemplo – a probabilidade de 20% de cara e 80% de coroa. Cientificamente falando, como uma coisa física pode ser assim? Como começamos a descrever isso? A parte mais impressionante da mecânica quântica é que, por alguma razão, partículas como elétrons parecem agir como ondas e ondas de luz como partículas. Partículas têm um comprimento de onda. O experimento mais básico que demonstra esse fato é o experimento de fenda dupla:

Se você colocar um par de frestas paralelas em uma partição entre um feixe de partículas e uma parede e colocar um detector na parede para ver o que acontece, um estranho padrão de listras aparece. Isso é chamado de padrão de interferência.

Imagem: e

Como ondas, as partículas-ondas que viajam através de uma fenda interferem com aquelas que viajam através da outra fenda. Se o pico da onda se alinha com uma vala, as partículas se cancelam e nada aparece. Se o pico se alinhar com outro pico, o sinal no detector seria ainda mais brilhante. (Esse padrão de interferência ainda existe mesmo que você envie apenas um elétron por vez). Se descrevessemos uma dessas partículas ondulatórias (antes de atingirem a parede) como uma equação matemática, seria semelhante à equação matemática que descreve nossa moeda (antes de cair no chão e virar cara ou coroa). Essas equações podem parecer assustadoras, assim:

Mas tudo o que você precisa saber é que essa equação lista as propriedades definidas da partícula, mas não diz qual delas você obterá. (Pois ainda não sabemos). Você pode usar esta equação para encontrar as probabilidades de algumas das propriedades da partícula. E como essa matemática envolve números complexos – os que contêm a raiz quadrada de -1 ou i – ela não apenas descreve a probabilidade de uma moeda ser cara ou coroa, mas também descreve uma probabilidade avançada, que pode incluir a maneira como a face de uma moeda irá girar. De toda essa matemática maluca, resultam algumas coisas doidas. Temos a superposição – a moeda no ar sendo cara e coroa ao mesmo tempo. Temos a interferência – as ondas de probabilidade se sobrepõem e se cancelam. E temos o entrelaçamento, como se amarrássemos um monte de moedas, mudando a probabilidade de certos resultados, porque eles estão, bem, amarrados agora. Essas três coisas malucas são exploradas por computadores quânticos para criar novos tipos de algoritmos.

Como um computador quântico funciona

“Em certo sentido, fazemos a mesma coisa há 60 anos. As regras que usamos para calcular não foram alteradas – estamos presos a bits e bytes e operações lógicas”, disse Martin Laforest, gerente sênior de divulgação científica do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, ao Gizmodo. Mas tudo isso está prestes a mudar. “Computadores quânticos viram as regras dos computadores de ponta cabeça”.

Computadores tradicionais fazem o cálculo usando bits, que podem ser armazenados como cargas elétricas nos processadores ou até pequenas cavidades perfuradas em CDs. Um bit tem apenas duas opções, que representamos como um e zero. Qualquer coisa com duas opções que você pode escolher é um bit. Toda a computação é feita por meio da configuração e relação entre os bits, com operações como “se esse bit é zero e esse bit é um, torne esse terceiro bit um, caso contrário, faça um zero” e assim por diante.

O qubit, abreviação de bit quântico, é como um bit normal, mas é um zero e um ao mesmo tempo (antes de você olhar para ele). É aquela moeda lançando no ar. Um computador quântico é como jogar várias moedas ao mesmo tempo – porém enquanto voam, elas obedecem às regras malucas da superposição, interferência e entrelaçamento.

O computador quântico primeiro concede aos qubits essa versão mecânica quântica de probabilidade do que acontecerá quando você realmente olhar para o qubit. (Depois de olhar para o misterioso qubit, ele deixa de ser misterioso e se torna um bit definido). Os cálculos da mecânica quântica são feitos preparando os qubits (ou adicionando pesos a uma moeda antes de você lançá-la para manipular a probabilidade do resultado) e, em seguida, os interagindo (ou lançando um monte de moedas emaranhadas de uma vez só) e medindo-as (o que faz com que as moedas parem de girar e produzam o valor final). Se feito corretamente, toda essa interação no ar deve resultar em uma melhor resposta (o valor) para qualquer pergunta que você tenha feito ao computador. A computação quântica é especial. Como dissemos antes, porque sua matemática usa números complexos, ele calcula uma versão especial de probabilidades – não apenas cara ou coroa, mas também a orientação da moeda. Então, quando você joga essas moedas no ar, elas se chocam com seus diferentes lados e orientações, e parte desse choque altera a probabilidade do lado revelado pelo resultado. Às vezes, elas se chocam e se cancelam, tornando certos resultados menos prováveis. Às vezes, eles se empurram, aumentando a probabilidade de certos resultados. Tudo isso é comportamento de interferência. “A idéia em um computador quântico é que você pegue esse fenômeno e o explore em grande escala”, disse Scott Aaronson, cientista da computação teórico da Universidade do Texas em Austin. “A idéia é coreografar um padrão de interferência” para que tudo seja cancelado, a não ser a resposta que você estava procurando. Você quer que as moedas interfiram no ar. Para o observador, a resposta se parece com a dada por bits comuns. A mecânica quântica acontece em segundo plano.

O que você pode fazer com isso: da química à criptografia

Foi o famoso físico em um – um computador que poderia usar a mecânica quântica para resolver certos problemas. Foi como criar uma nova forma de notação musical, mas nenhum instrumento para tocá-las e nenhuma composição escrita. Não foi até os matemáticos começarem a desenvolver algoritmos para este computador usar que se tornou um sonho mais razoável de se perseguir. Os teóricos escreveram as composições (os algoritmos), enquanto os físicos trabalharam na construção dos instrumentos (os computadores de física quântica). Tudo bem, agora temos esses estranhos bits quânticos cujo resultado não podemos adivinhar de antemão. Agora precisamos descobrir como usá-los. Hoje, existem vários lugares nos quais os pesquisadores pensam que o uso de um computador quântico poderia resolver certos problemas melhor do que um computador clássico.

Obviamente, você pode usar esses bits quânticos para criar simulações de outras coisas que seguem as loucas regras da mecânica quântica: átomos e moléculas. Os cientistas podem usar qubits para modelar moléculas inteiras e suas interações. Isso poderia ajudar as empresas farmacêuticas a conceber novos medicamentos ou criar novos materiais com as propriedades desejadas, antes mesmo de colocar um pé no laboratório.

A molécula de cafeína

Os cientistas já foram capazes de modelar essas moléculas usando a computação clássica, mas a mecânica quântica oferece uma enorme aceleração. Representar plenamente o comportamento da molécula de cafeína, incluindo as regras mecânicas quânticas relevantes de suas partículas individuais, pode levar 160 qubits, explicou Robert Sutor, vice-presidente de Cognitive, Blockchain e Quantum Solutions da IBM. Fazer isso com um computador clássico com esse nível de detalhe exigiria aproximadamente o mesmo número de bits (10^48) que existem átomos no planeta Terra (entre 10^49 e 10^50). A IBM já modelou a muito mais leve molécula de hidreto de berílio usando um computador quântico de seis qubits. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley determinaram todo o estado energético de uma molécula de hidrogênio com de dois qubits.

Existem outros algoritmos que os pesquisadores pensam que podem fornecer algum tipo de aceleração em relação aos computadores clássicos. O algoritmo de Grover, por exemplo, pode ajudar a otimizar a pesquisa. Alguns estão trabalhando no uso da computação quântica na inteligência artificial ou em problemas de otimização como “encontre a maior montanha dessa cordilheira” e “encontre a rota mais rápida entre esses dois pontos separados por vários rios com várias pontes”.

Mas talvez o algoritmo quântico mais comentado seja o chamado algoritmo de Shor, que pode mudar a maneira como quase todos os nossos dados são criptografados.

“Suponho que, nesse nível, seja como a Guerra Fria”

Criado por em 1994, seu objetivo é fatorar números em números primos. E quero dizer literalmente a fatoração que você aprendeu no ensino fundamental, a maneira como você pode dividir 15 em seus fatores, 3 e 5. Multiplicar números é uma tarefa computacional simples, mas dividir grandes números em seus fatores leva muito mais tempo. A criptografia moderna é baseada nesse conhecimento; portanto, muitos dos seus dados são, na sua forma mais simplificada, criptografados “de forma segura”, convertendo as coisas em números, multiplicando-as e as associando a uma “chave” – instruções de como fatorá-los. A criptografia RSA é , de senhas a bancos e mídias sociais. Mas se um computador quântico puder executar o algoritmo de Shor e decifrar a criptografia, esse antigo método de criptografia não será mais seguro.

De acordo com todo mundo com quem conversei, a quebra da criptografia RSA está a décadas de distância, mas os cientistas estão no caminho certo para a criptografia pós-quantum, uma nova matemática que pode ser usada para codificar dados. A seja baseada em uma matemática que não é mais fácil de executar com um computador quântico. Enquanto isso, outros pesquisadores estão lutando para quebrar o popular sistema de criptografia RSA com computadores quânticos antes que um hacker o faça. “Suponho que, nesse nível, seja como a Guerra Fria”, disse Stephan Haas, físico teórico da Universidade do Sul da Califórnia. “Você está atrás de armas nucleares porque o outro cara está atrás de armas nucleares”.

Aqui está um qubit físico

Os cientistas precisavam de transistores, pequenos interruptores elétricos, para armazenar bits e fazer computadores comuns. Da mesma forma, eles precisam de hardware que possa armazenar um bit quântico. A chave para produzir um computador quântico é encontrar uma maneira de modelar um sistema quântico que as pessoas possam realmente controlar – de fato, definir as probabilidades e orientações dessas moedas lançadas. Isso pode ser feito com átomos presos por lasers, fótons e outros sistemas. Mas, até agora, quase todo mundo na indústria que apresentou um computador quântico o fez com supercondutores – peças eletrônicas ultracongeladas especialmente fabricadas. Eles se parecem com pequenos microchips. Com a pequena diferença que esses microchips são colocados em geladeiras do tamanho de uma sala, resfriadas a temperaturas um pouco acima do zero absoluto.

Um processador quântico de 8 qubits do Lawrence Berkeley National Labs. Foto: Ryan Mandelbaum/Gizmodo.

Esses supercondutores de qubits permanecem quânticos por um longo tempo enquanto realizam operações de computação quântica, explicou Irfan Sidiqqi da Universidade da Califórnia, Berkeley. Ele disse que outros tipos de sistemas podem permanecer quânticos por mais tempo, . Existem três tipos de qubits feitos com esses eletrônicos. Eles são chamados de qubits de fluxo, carga e fase, diferindo pelas especificidades de suas construções e propriedades físicas. Todos eles confiam em algo chamado junção de Josephson para funcionar. Uma é quando um pequeno pedaço de isolador não supercondutor é colocado entre os fios supercondutores, lugares onde os elétrons viajam sem resistência e começam a mostrar efeitos quânticos óbvios em sistemas maiores. Manipular a corrente através dos fios permite que os físicos configurem qubits nesses sistemas. Atualmente, esses sistemas são muito frágeis. Eles desmoronam até virar bits clássicos através de qualquer tipo de ruído. E cada qubit adicional adiciona mais complexidade. Os maiores computadores quânticos de hoje têm menos de 20 qubits, com exceção do computador D-Wave, cujos 2.000 qubits operam em um princípio separado e mais específico, que veremos mais adiante.

“Um computador quântico sempre terá erros”

Realmente, realizar cálculos com esses qubits pode ser um desafio. Computadores comuns têm correção de erros ou redundâncias internas, locais onde vários bits executam a mesma função no caso de um deles falhar. Para computadores quânticos fazerem isso, eles precisam ter qubits extras integrados em seu sistema especificamente para verificar erros. Mas a natureza da do que nos computadores clássicos. Poderia levar cerca de dois mil qubits físicos trabalhando em conjunto, de fato, para criar um qubit confiável e “corrigido por erros”, resistente a falhas. Mas estamos nos aproximando. “Há muitos progressos saudáveis ​​que não seriam imagináveis ​​há dois anos”, disse Debbie Leung, da faculdade do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo. “Um computador quântico sempre terá erros”, disse Laforest. Felizmente, modelar moléculas não precisa de tanta precisão, disse Siddiqi, razão pela qual os pesquisadores avançaram com esses tipos de simulações em sistemas de poucos qubits.

“Agora estamos na junção em que a demanda teórica e a realidade dos experimentos estão convergindo”

Melhores qubits e mais pesquisas continuam a nos aproximando do limiar em que podemos construir processadores de poucos qubit. “Agora estamos na junção em que a demanda teórica e a realidade dos experimentos estão convergindo”, disse Laforest.

Quem está fazendo isso

Universidades, laboratórios nacionais e empresas como IBM, Google, e Intel estão buscando configurações de qubits em circuitos lógicos semelhantes aos bits comuns, todos com menos de 20 qubits até o momento. As empresas estão simulando simultaneamente computadores quânticos com computadores clássicos, mas cerca de 50 qubits é visto como o limite – a , que usavam 4,5 terabytes de memória em um computador clássico. Cada empresa com a qual conversamos tem uma abordagem ligeiramente diferente para o desenvolvimento de suas máquinas supercondutoras. O professor da IBM disse ao Gizmodo que a empresa está adotando uma abordagem de longo prazo, esperando um dia lançar um computador quântico de uso geral do qual os computadores clássicos possam confiar, quando necessário, através da nuvem. . A Microsoft mostrou ao Gizmodo sua suíte de software voltada para o consumidor e descreveu uma meta de longo prazo semelhante para a computação quântica envolvendo hardware escalável.

No ano passado, o Google lançou um computador quântico que alcançou a “supremacia quântica”. Supremacia quântica significa simplesmente encontrar um algoritmo único para o qual um computador quântico sempre vence e para o qual não se pode encontrar uma solução alternativa clássica para resolver o mesmo problema. Este é apenas um marco, no entanto.

Computador quântico do Google. Todos esses fios são dedicados ao controle de qubits individuais e a manter tudo em temperaturas incrivelmente baixas. Foto: Google

Embora 2019 pareça ter sido um ano em meio a uma espécie de salto quântico, todos com quem conversei foram realistas sobre o quão longe está a computação quântica de um produto voltado para o consumidor. “Olhando para 2020, 2021, começaremos a ver a vantagem para usuários reais, empresas e pesquisas científicas”, disse Sutor. Mas uma empresa controversa, a D-Wave, está fazendo um tipo diferente de computação quântica chamada computação quântica adiabática. Em vez de apenas uma dúzia a ou algumas dúzias de qubits, eles anunciaram um computador com 2.000. E, em vez de confiar em circuitos lógicos quânticos, como os outros, o computador resolve um tipo de problema – problemas de otimização, como encontrar a melhor solução em uma variedade de soluções corretas ou encontrar a melhor rota de táxi do ponto A ao ponto B ficar o mais longe possível de outros táxis. Esse tipo de problema é potencialmente útil em finanças. Ao contrário dos concorrentes, a D-Wave não precisa que seus qubits sejam corrigidos. Em vez disso, supera a correção de erros executando o algoritmo várias vezes por segundo. “É uma máquina de uso geral que pode resolver qualquer tipo de problema? Não”, disse Bo Ewald, presidente da D-Wave, ao Gizmodo. “Mas não existem computadores que possam resolver esses problemas de qualquer maneira”. Nesse momento, as pessoas concordam que o computador da D-Wave é um computador quântico, mas ainda não tem certeza que ele seja melhor que um computador clássico para resolver o mesmo tipo de problema (alguns dos seus usuários relatam superar algoritmos clássicos, disse Ewald). Mas Ewald só queria colocar computadores quânticos na frente das pessoas agora. “Se você deseja começar hoje com a computação quântica no mundo real, é assim que você faz. A NASA, o Google e o Los Alamos National Labs todos já compraram modelos ou espaço de computação”, disse Ewald.

A perspectiva

Todos, até Ewald, da D-Wave, concordam que estamos longe de ver computadores quânticos sendo usados ​​na vida cotidiana – há muita empolgação, mas ainda estamos nos primeiros dias. Existem hordas de desafios, como a correção de erros. Depois vem o problema relacionado à transmissão de informações quânticas entre computadores distantes ou ao armazenamento de informações quânticas a longo prazo na memória.

Eu perguntei a Aaronson se ele imagina que alguma startup ou algum esforço secreto poderia surgir do nada e apresentar um modelo super avançado – ele disse que provavelmente não. “Sabemos quem são os melhores cientistas e eles seriam recrutados de uma vez como aconteceu com os físicos de projeto Manhattan”, disse ele. “Acho que continua sendo um campo muito saudável, mas, ao mesmo tempo, é verdade que construir um computador quântico útil é um imenso empreendimento tecnológico”. Você não pode simplesmente construir um na sua garagem. Portanto, não, você não pode ter um computador quântico agora, nem é provável que jamais tenha um computador quântico. É mais provável que quando o seu computador clássico precisar de ajuda quântica, você não notará que ela está fazendo seu trabalho. Você pode ouvir sobre alguns benefícios da computação quântica nos próximos anos, como avanços bioquímicos, mas outras vantagens podem levar 20 anos. No geral, não há provas de que um computador quântico seja melhor que um computador clássico. Por enquanto.