O básico: como funcionam os computadores quânticos e para onde caminha a tecnologia

Os fundamentos teóricos da computação quântica surgiram ao longo do século XX, incluindo a Hipótese Quântica de Planck (1900), o Princípio da Incerteza (1927) e a Desigualdade de Bell (1964). As aplicações práticas surgiram inicialmente na década de 1980, quando Richard Feynman propôs o uso de sistemas quânticos para simular outros sistemas quânticos, uma tarefa impraticável para computadores clássicos. Essa ideia estimulou o desenvolvimento de algoritmos quânticos, como o Algoritmo de Shor (1994), que mostrou que os computadores quânticos podiam fatorar grandes números com eficiência, e o Algoritmo de Grover (1996), também conhecido como algoritmo de pesquisa quântica. Paralelamente, o desenvolvimento de códigos quânticos de correção de erros por Peter Shor e seus colegas marcou um progresso significativo na viabilização da computação quântica. Desde 2000, uma intensa corrida para construir computadores quânticos práticos se seguiu, com gigantes da tecnologia e startups anunciando avanços em direção à supremacia quântica. Semelhante à capacidade dos circuitos integrados, podemos testemunhar um crescimento exponencial na capacidade da computação quântica (por exemplo, o número de qubits em chips dobrando a cada 18 meses, de acordo com a Lei de Rose).

Computadores quânticos vs. computadores clássicos

Os computadores quânticos e os computadores clássicos funcionam com base em princípios fundamentalmente diferentes. Os computadores clássicos processam informações usando transístores (ou qualquer circuito digital) que armazenam dados em bits binários. Esses bits só podem estar em um de dois estados, 0 ou 1, que correspondem à ausência ou presença de tensão na porta do transístor. Esse sistema de estado binário é simples e robusto, garantindo que, quando o estado de um transístor é medido, ele mostre distintamente um 0 ou um 1.

Em contraste, os computadores quânticos utilizam bits quânticos – conhecidos como qubits – que têm alguma probabilidade de estar em cada um dos dois estados (designados |0⟩ e |1⟩) ao mesmo tempo. Os qubits podem operar em binário, na medida em que podem ser definidos como 0 ou 1. No entanto, devido à sua natureza mecânica quântica, os qubits podem fazer muito mais. Eles podem existir num estado de superposição, onde incorporam aspectos de 0 e 1 simultaneamente. Esse fenómeno é representado na Esfera de Bloch, onde, ao contrário de um bit clássico que só pode estar no Polo Norte ou no Polo Sul (representando 0 ou 1), um qubit pode estar em qualquer lugar na superfície da esfera, incluindo os polos:

Noutra analogia, os bits clássicos podem ser comparados a um sistema de polegar para cima ou polegar para baixo, em que um polegar apontando para cima representa um 1 e um polegar apontando para baixo representa um 0. Por outro lado, um qubit permite que o polegar represente um valor mesmo que não esteja completamente para cima ou para baixo. Assim, um polegar posicionado num ângulo |ψ> que representa o estado do qubit, por exemplo, um ângulo de 90 graus ou 35 graus (em todas as direções), também pode codificar informações. Um polegar posicionado horizontalmente representa um |0⟩ e |1⟩ ao mesmo tempo.

Este paradigma permite que o qubit represente vários estados ao mesmo tempo, levando a resultados de medição probabilísticos, nos quais a probabilidade de medir um 0 ou um 1 pode variar com base no estado do qubit.

Qual é a vantagem?

A capacidade de existir em vários estados simultaneamente permite que os computadores quânticos codifiquem e processem informações de maneiras que os computadores clássicos não conseguem. Por exemplo, enquanto um computador clássico com três bits pode representar um dos oito estados possíveis de cada vez, um computador quântico pode representar todos os oito estados possíveis simultaneamente num estado de superposição. Este conceito (ou seja, paralelismo quântico), juntamente com a interferência quântica (ou seja, a interação entre os estados dentro de uma superposição), permite que os computadores quânticos realizem certos cálculos muito mais rapidamente e com menos hardware do que os computadores clássicos. Esta diferença marcante no processamento de dados é o que distingue os computadores quânticos e tem implicações significativas para os tipos de tarefas e cálculos que eles podem realizar com eficiência.

Além disso, os computadores quânticos beneficiam-se de outro conceito importante, o «entrelaçamento quântico». O entrelaçamento na computação quântica permite que os qubits sejam interligados, possibilitando-lhes processar e armazenar informações de maneiras que superam as capacidades dos computadores clássicos. O entrelaçamento quântico ocorre quando um grupo de qubits (referidos como «qubits entrelaçados») partilha um estado quântico, de modo que as suas propriedades se tornam correlacionadas. Suponha que existam dois qubits entrelaçados. Quando um computador quântico mede ou altera uma propriedade de um qubit (por exemplo, spin, posição ou polarização), ele altera instantaneamente uma propriedade do outro qubit, porque as suas propriedades e estados estão correlacionados ou entrelaçados. Os computadores quânticos podem utilizar essa correlação instantânea para melhorar o seu poder de processamento. Por exemplo, essa interconectividade facilita o paralelismo, permitindo que os computadores quânticos resolvam problemas complexos com mais eficiência, realizando vários cálculos simultaneamente. Além disso, o entrelaçamento aumenta a precisão dos algoritmos quânticos, contribuindo para uma resolução de problemas mais rápida e precisa em áreas como criptografia, otimização e ciência dos materiais.

Exemplo

Para ilustrar como o entrelaçamento pode melhorar o poder de computação, considere o seguinte exemplo:

Num computador clássico, duplicar o número de bits pode apenas duplicar a capacidade de processamento. Ou seja, a capacidade de computação cresce linearmente em relação ao número de bits. Na computação quântica, no entanto, essa relação é exponencial. Portanto, adicionar um qubit adicional a um computador de 60 qubits fará com que o computador quântico seja capaz de avaliar 260 estados de qubits simultaneamente.

Assim como os portões clássicos manipulam bits de maneiras bem definidas de acordo com a lógica booleana, os portões quânticos operam em qubits usando portões quânticos, permitindo o desempenho de algoritmos quânticos. Portanto, os portões quânticos são análogos aos blocos de construção fundamentais da computação quântica e podem ser considerados como uma versão quântica dos «portões lógicos» da computação clássica. Em contraste com os portões lógicos, os portões quânticos podem permitir operações mais complexas e matizadas. Por exemplo, enquanto os portões clássicos aplicam transformações determinísticas às suas entradas, os portões quânticos introduzem operações como entrelaçamento e superposição, aumentando o potencial computacional através de comportamentos não clássicos.

Os portões quânticos podem ser utilizados em algoritmos quânticos para orquestrar e realizar cálculos complexos usando qubits. Compreender como um algoritmo quântico funciona oferece uma visão intrigante do poder da computação quântica. Inicialmente, a entrada para um computador quântico consiste tipicamente num estado de superposição massivo, o que significa que o sistema representa simultaneamente múltiplos resultados potenciais. Vários portões quânticos podem então interagir com todos esses estados potenciais de uma só vez, devido à propriedade do paralelismo quântico. Essa operação simultânea é complementada pela interferência quântica, que ajusta os coeficientes desses estados, moldando ainda mais o processo computacional.

O que é que se segue?

A tecnologia de computação quântica está a aproximar-se de um momento crucial em que poderá fazer a transição dos laboratórios de investigação para o uso público. O progresso até agora tem sido rápido, mas relativamente pequeno no que diz respeito ao consumo público. Algumas empresas e instituições de investigação desenvolveram processadores quânticos incrementais e integraram-nos em plataformas baseadas na nuvem, acessíveis a programadores em todo o mundo. Esta acessibilidade permite a experimentação com algoritmos quânticos, lançando as bases para aplicações futuras. Além disso, à medida que estes processadores crescem em número de qubits e estabilidade, e à medida que a correção de erros melhora, estamos a aproximar-nos de um limiar em que a computação quântica poderá começar a ter impacto em áreas como a criptografia, a modelação molecular complexa e os problemas de otimização.

Embora a computação quântica apresente um enorme potencial, prever a sua disponibilidade para uso em massa continua a ser um desafio. O campo ainda está em fase inicial, enfrentando obstáculos técnicos significativos, como coerência de qubits, taxas de erro e correção, e design de sistemas escaláveis. O prazo para a disponibilidade comercial generalizada é incerto, pois esses desafios fundamentais devem ser superados antes que ela possa ser integrada de forma confiável e econômica à tecnologia cotidiana. Essa incerteza ressalta a natureza experimental e evolutiva da tecnologia de computação quântica, que busca fazer a transição de configurações experimentais para aplicações práticas e de mercado de massa.

Nos próximos artigos, exploraremos como as tecnologias de computação quântica evoluirão iterativamente e gradualmente se difundirão na vida cotidiana.

Série Além do Binário

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