Como funciona um computador quântico?

Por mais que não gostemos de admitir, a ciência e a tecnologia estão repletas de hypes, desenvolvimentos com potencial extraordinário e promessas espetaculares que nunca se materializam. A fusão a frio e o grafeno são dois bons exemplos, mas se olharmos de perto para os gigantes do mercado, descobrimos que eles não conseguem parar de falar sobre computadores quânticos. O que querem fazer com eles? Como funciona um computador quântico? Hoje vamos explorar as respostas a essas perguntas.

Uns e zeros... e algo mais

Nossa vida digital é uma dança interminável de uns e zeros. Este artigo, o navegador que você usa, seu sistema operacional. Fotos, vídeos, músicas, jogos, trabalho, provas. Amor? Dinheiro? Tampouco escapam dos bits. Além de algumas condições específicas que podem "mudar" espontaneamente um bit e semear o caos, o fato é que eles funcionam e nos têm servido muito bem.

O desenvolvimento computacional das últimas décadas esteve (e ainda está) focado em processar mais bits, e em maior velocidade. No entanto, nossos avanços estão se aproximando rapidamente de limites físicos dos quais não podemos escapar. Com componentes se aproximando do tamanho de um átomo, a física quântica é nossa principal "inimiga"... mas e se a transformarmos em "aliada"? Bem-vindo ao computador quântico.

Como funciona um computador quântico

(Nota do editor: legendas em espanhol)

Em termos gerais, a ideia de um computador quântico é a de utilizar propriedades quânticas para realizar operações. Em um computador convencional, o bit é a menor unidade de informação, com 0 e 1 como estados possíveis. Mas em um computador quântico temos o cúbit (“bit quântico”), que pode ser 0, 1... ou uma proporção de ambos. Isso nos leva à famosa superposição quântica: enquanto não for observado-avaliado-medido, o cúbit se encontra em superposição, mas uma vez que você faz algo com ele, ele deve colapsar para um de seus estados definitivos. O gato de Schrödinger, com bits.

Sim, mas é mais complicado ainda...

Ao parágrafo anterior devemos somar o conceito de entrelaçamento quântico. Basicamente, trata-se de uma conexão ou vínculo que faz um cúbit reagir à mudança no estado de outro cúbit. Essa reação é instantânea e não é afetada pela distância que separa os cúbits. Por que isso é importante? Porque ao medir um cúbit entrelaçado, podemos calcular as propriedades de seu par sem ter que fazer uma observação adicional.

No entanto... tudo o que dissemos até aqui é a "versão simples" do computador quântico. Scott Aaronson, professor de ciência da computação na Universidade do Texas (Austin) e um dos mais importantes especialistas em computação quântica, nos explica que a mecânica quântica trabalha com amplitudes. E o cúbit é um bit com uma amplitude para 0 e outra para 1. Um dos objetivos fundamentais dos computadores quânticos é que todas as amplitudes que nos levem a resultados errados se cancelem entre si, e que as amplitudes restantes sirvam para chegar à resposta correta.

Para conseguir isso, os projetos atuais de computadores quânticos dependem da supercondução. O tamanho do chip não é muito maior do que um processador tradicional e utiliza uma série de "bobinas" nas quais fluem dois estados quânticos de corrente. As bobinas podem interagir entre si com a ajuda de junções Josephson, dando origem à geração de estados entrelaçados. A interação entre cúbits é completamente programável e, para que tudo isso funcione, o sistema deve ser levado a uma temperatura muito próxima do zero absoluto.

O problema

Quando o primeiro laser foi construído em 1960, seu criador Theodore Maiman o definiu como "uma solução à procura de um problema". E de certo ponto de vista, podemos dizer o mesmo sobre o computador quântico. Temos uma ideia bastante sólida de seu potencial, mas ele não só precisa dar um salto em qualidade, como também em quantidade.

Os melhores computadores quânticos têm uma média de 50 cúbits. O processador quântico Sycamore da Google possui um total de 53 cúbits, e o sistema chinês Jiuzhang chegou aos 76. No entanto, os especialistas reconhecem que é necessário um crescimento exponencial, com computadores compostos por centenas de milhares de cúbits para gerar trabalho útil e resolver problemas de amplo espectro.

A primeira coisa que vem à mente é uma espécie de "Lei de Moore quântica", mas não seria suficiente: enquanto a Lei de Moore duplicou o número de transistores a cada 18-24 meses, os computadores quânticos precisam duplicar seu número de cúbits a cada doze meses ou menos. O que isso significa? Dez anos, no mínimo.

Computador quântico: aplicações e desafios

Obviamente, existem razões de sobra para enfrentar todos os desafios que a computação quântica jogue em nossa direção. Desde simulações avançadas de moléculas até projeções econômicas, passando por novos ramos na educação, medicina e segurança, os computadores quânticos criarão muitos mercados, e é preciso se preparar para eles.

O aspecto da segurança merece um capítulo à parte: sob as condições corretas (pense em milhões de cúbits), um computador quântico poderia pulverizar o criptossistema RSA, e se isso acontecer... será melhor termos uma boa alternativa em funcionamento.