Cientistas reduziram drasticamente o tempo e a energia necessários para resfriar materiais a temperaturas próximas ao zero absoluto. Seu protótipo de refrigerador pode beneficiar a crescente indústria quântica, que utiliza amplamente materiais ultrafrios.
O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST, na sigla em inglês) está agora trabalhando com um parceiro industrial para comercializar o refrigerador. O NIST é uma agência governamental dos Estados Unidos que recebe financiamento público para suas operações. Nos últimos anos, o NIST tem recebido um orçamento significativo do governo federal para apoiar suas pesquisas e desenvolvimentos tecnológicos. Em 2022, por exemplo, o NIST recebeu aproximadamente 1,1 bilhão de dólares em financiamento federal.
Crédito: S. Kelley/NIST
Ao modificar um refrigerador comumente usado tanto em pesquisa quanto na indústria, pesquisadores do NIST reduziram drasticamente o tempo e a energia necessários para resfriar materiais a poucos graus acima do zero absoluto. Os cientistas afirmam que seu dispositivo protótipo, que agora está sendo comercializado com um parceiro industrial, pode economizar anualmente cerca de 27 milhões de watts de energia, 30 milhões de dólares em consumo global de eletricidade e água de resfriamento suficiente para encher 5.000 piscinas olímpicas.
Desde estabilizar qubits (a unidade básica de informação em um computador quântico) até manter as propriedades supercondutoras dos materiais e manter o Telescópio Espacial James Webb da NASA frio o suficiente para observar o espaço, a refrigeração ultrafria é essencial para a operação de muitos dispositivos e sensores.
O que é a computação quântica?
A computação quântica abre a porta para máquinas ultra-poderosas que podem realizar cálculos que levariam supercomputadores milhões de anos.
A computação quântica, frequentemente anunciada como a próxima geração da computação, depende das leis da mecânica quântica — o comportamento estranho das partículas em escala subatômica — para processar informações. Atualmente, os computadores quânticos são muito pequenos, difíceis de manter e propensos a erros para competir com os melhores computadores clássicos de hoje. No entanto, muitos especialistas esperam que a computação quântica um dia supere a computação clássica para tarefas específicas.
As tecnologias que possibilitam a computação quântica avançaram rapidamente nos últimos anos. Um dia, poderão resolver problemas que são muito complexos até para os computadores convencionais mais poderosos de hoje. Este enorme ganho de desempenho poderia abrir a porta para muitos usos empolgantes, incluindo em produtos farmacêuticos, modelagem climática e manufatura, todos os quais dependem de simulações extremamente complexas.
Computação quântica vs. computação clássica
Os computadores clássicos processam dados usando bits binários, que podem estar em um de dois estados — 0 ou 1. Os bits são codificados em transistores, que podem ser feitos de silício, germânio ou outros semicondutores.
Os computadores quânticos usam partículas, como elétrons ou fótons, que se comportam como bits quânticos, ou qubits, que representam uma superposição de 0 e 1 — o que significa que podem existir em múltiplos estados ao mesmo tempo. Qubits também podem ser codificados em materiais semicondutores, como silício, ou até mesmo em materiais supercondutores, como espinélio (MgAl2O4) e aluminato de lantânio (LaAlO3).
Para realizar plenamente a supremacia quântica, os computadores quânticos precisam de algoritmos diferentes que aproveitem a maneira única como os qubits codificam e processam dados. Os cientistas estão desenvolvendo algoritmos quânticos, que têm menor complexidade computacional, ou seja, exigem menos tempo de execução ou número de operações em comparação com algoritmos convencionais. No entanto, os algoritmos quânticos precisariam ser executados em grandes computadores quânticos tolerantes a falhas, que ainda não estão disponíveis.
Quão poderosos são os computadores quânticos?
A superposição e o entrelaçamento quânticos tornam o potencial de processamento de um computador quântico muito maior do que o de um computador clássico. Enquanto adicionar mais bits clássicos aumenta linearmente o número de cálculos que um computador pode fazer, adicionar mais qubits a um computador quântico aumenta exponencialmente seu poder de computação — superando em muito um computador binário clássico quando há qubits suficientes.
Os cientistas estimam que um computador quântico com aproximadamente 20 milhões de qubits alcançará a supremacia quântica — o ponto em que um computador quântico resolve um problema que um computador clássico não pode.
No entanto, os computadores quânticos ainda são muito experimentais. A superposição que cria qubits e o entrelaçamento que os conecta são facilmente destruídos, pois os qubits interagem com o ambiente externo e se entrelaçam com ele. Quando isso ocorre, a informação que eles carregam é perdida ou corrompida, tornando os computadores quânticos extremamente propensos a erros. Para contornar isso, as empresas estão implementando várias abordagens, como super-resfriamento a temperaturas próximas do zero absoluto e o uso de eletroímãs para isolar os qubits.
Como funcionam os computadores quânticos?
Os computadores quânticos têm uma arquitetura icônica em forma de candelabro, composta por uma série de tubos e fios interconectados que abrigam diferentes camadas do computador. A maioria dos computadores quânticos está ligada a grandes e poderosos refrigeradores para que os processadores possam ser resfriados até quase o zero absoluto para mitigar o ruído térmico e as vibrações. Muitas das camadas do candelabro trabalham para resfriar o processador quântico, que fica próximo à camada inferior.
Os computadores quânticos têm uma arquitetura ligeiramente diferente entre si, mas tendem a ter os seguintes elementos:
Plano de dados quânticos: O plano de dados quânticos abriga os qubits e é onde os dados são processados por meio de portas quânticas. A estrutura que mantém os qubits no lugar varia entre diferentes tipos de computadores quânticos. Alguns qubits são feitos de supercondutores sólidos resfriados até quase o zero absoluto. Outros usam campos eletromagnéticos para prender íons, ou átomos carregados que atuam como qubits, em câmaras de alto vácuo. A pressão do vácuo minimiza a interferência das vibrações e estabiliza os qubits.
Plano de controle e medição: O plano de controle e medição converte um sinal digital de um computador clássico em sinais analógicos usados para alterar os estados dos qubits no plano de dados quânticos.
Processador de controle e processador host: O processador de controle e o processador host implementam o algoritmo quântico, que é uma sequência de operações projetadas para rodar em um computador quântico para processar os dados. Após realizar um cálculo quântico, o processador host fornece um sinal digital clássico ao plano de controle e medição.
Software quântico: Obter a saída do processador para o plano de controle e medição requer outro elemento: software quântico. Os computadores quânticos exigem algoritmos especialmente projetados, que são mais comumente descritos por um circuito quântico, ou uma rotina que define uma série de operações quânticas nos qubits. O software quântico é composto por algoritmos quânticos. Outros softwares quânticos são usados para corrigir os erros gerados ao realizar cálculos nos qubits.
Por que precisamos de computadores quânticos?
Em teoria, os computadores quânticos podem ser potencialmente muito mais rápidos do que os computadores clássicos e podem resolver múltiplos problemas complexos simultaneamente. Eles são particularmente promissores para tarefas de otimização. Os computadores clássicos lutam ou falham quando um problema tem um número extremamente grande de soluções possíveis. Um computador quântico, no entanto, poderia considerar todas as soluções potenciais e encontrar rapidamente a melhor.
Os computadores quânticos também poderiam transformar a inteligência artificial (IA). Os sistemas de IA são treinados usando grandes conjuntos de dados, então os computadores quânticos poderiam permitir conjuntos de dados maiores e mais complexos para o treinamento da IA, levando a sistemas cada vez mais sofisticados.
Por que os computadores quânticos são tão difíceis de construir?
Os computadores quânticos são delicados e suscetíveis à interferência de fontes externas, como mudanças de temperatura ou partículas errantes. Quando há interferência, os qubits são suscetíveis à decoerência — que é o colapso do estado quântico. Essa decoerência torna os computadores quânticos muito mais propensos a erros do que os computadores convencionais.
Embora existam maneiras de proteger um sistema quântico de influências externas, os erros ainda podem ocorrer. Mesmo um único erro pode causar o colapso da validade de um cálculo inteiro. E como os qubits são fundamentalmente diferentes dos bits, os métodos convencionais de correção de erros não funcionam.
Os cientistas desenvolveram algoritmos quânticos para compensar os erros nos computadores quânticos, mas esses requerem qubits para rodar, reduzindo a quantidade disponível para processar dados. Outra peculiaridade da mecânica quântica é que observar ou medir diretamente o estado de uma partícula ou átomo em superposição o destrói. Isso significa que os pesquisadores devem usar soluções alternativas para ler o estado quântico da saída, pois a observação direta pode corromper os dados.
Quais são as implicações da computação quântica?
Os computadores quânticos serão uma tecnologia disruptiva quando alcançarmos a supremacia quântica. No entanto, não se sabe quando os cientistas construirão um computador quântico poderoso o suficiente — com milhões de qubits corrigidos de erros — e até agora os computadores quânticos mais poderosos têm apenas aproximadamente 1.000 qubits.
Mesmo assim, os computadores clássicos continuarão sendo a maneira mais fácil de resolver a maioria dos problemas, pois não precisam manter estados quânticos. Os computadores quânticos provavelmente serão usados apenas para resolver problemas que estão além das capacidades dos computadores clássicos.
Uma área que provavelmente será afetada, no entanto, é a criptografia, que protege dados sensíveis, como registros financeiros e informações pessoais. Os métodos de criptografia modernos dependem de problemas matemáticos que são muito complexos para os computadores clássicos resolverem. No entanto, o poder de processamento de um computador quântico seria capaz de resolvê-los facilmente. A criptografia quântica é agora um campo em crescimento, pois os pesquisadores tentam desenvolver criptografia resistente a quânticos para proteger dados sensíveis de serem decifrados por computadores quânticos no futuro.
Fontes: Nist.gov e Live Science.