Entenda a revolução da computação quântica

Por que os cientistas querem um bom computador quântico?

Em outubro de 2022, o presidente dos EUA, Joe Biden, visitou um computador quântico em Poughkeepsie, Nova York. A bela engenhoca foi construída pela empresa de alta tecnologia IBM. Como uma escultura futurista, tinha curvas complexas de tubos e fios dourados.

Fotos da visita mostram Biden estudando a máquina. Mas qualquer pessoa olhando para essas fotos pode se perguntar: como isso pode ser um computador?

A temperatura dentro da máquina, chamada IBM Quantum System One, é quase inconcebivelmente fria. É uma fração de grau acima do zero absoluto, a temperatura mais fria possível. A IBM instalou máquinas Quantum System One em muitos lugares ao redor do mundo. Algumas delas são envoltas no mesmo tipo de vidro usado para proteger a Mona Lisa de Leonardo da Vinci.

No zero absoluto, tudo para de se mover. E a computação quântica só pode ocorrer a uma fração acima do zero absoluto. A parte dourada da Quantum System One mantém a parte de computação tão fria.

“Qualquer vez que você pesquisar ‘computador quântico’, as imagens que aparecem são esses grandes e belos lustres dourados,” disse Corban Tillemann-Dick, fundador da Maybell Quantum Industries em Denver, Colorado. Ele falou sobre essas máquinas quânticas em fevereiro passado, na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência.

“Olhando para essas fotos, fico meio divertido,” disse ele. “Eles pensam que estão ao lado de um computador quântico. Mas realmente, aquele lustre é a geladeira.”

A parte que resolve os problemas de computação fica em um pedaço de silício na parte inferior do aparato. É tão pequeno que caberia na sua mão. Tillemann-Dick deveria saber. Ele projeta e constrói formas de manter esses dispositivos quânticos frios. (Ele brinca que é um vendedor de geladeiras de alta tecnologia.)

Empresas de tecnologia — incluindo IBM, Microsoft, Google e outras — estão competindo para construir o melhor computador quântico. Por quê? Seus cientistas acham que esses dispositivos em breve poderão realizar tarefas e resolver problemas mais rapidamente do que qualquer calculadora de hoje. A computação quântica provavelmente será capaz de abordar problemas que as máquinas de hoje não conseguem.

Os computadores quânticos ainda não conseguem fazer isso. Mas estão chegando perto.

Kayla Lee é bióloga por formação e agora trabalha na construção de uma comunidade global de computação quântica na IBM em Charlotte, Carolina do Norte. É um momento emocionante para estar na área, diz ela. “Há muitas oportunidades.”

Qual é a grande novidade?

Já tivemos alguns vislumbres de que os computadores quânticos podem um dia superar os computadores normais, ou clássicos.

Pegue o Sycamore. Em dezembro passado, o Google relatou que o Sycamore — seu sistema quântico — completou rapidamente uma tarefa difícil relacionada ao funcionamento de um sistema aleatório. Levou apenas seis segundos. A mesma tarefa provavelmente levaria anos no supercomputador tradicional mais rápido do mundo, conhecido como Frontier, localizado no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee.

O teste do Google colocou o Sycamore à prova. O problema que resolveu em seis segundos mostrou o poder de processamento da máquina. Mas essa tarefa de computação em si não é muito útil para resolver os problemas do mundo. Nenhum computador quântico funciona bem o suficiente ainda para começar a resolver grandes desafios importantes. O que anima os especialistas é o que essa nova geração de computadores pode fazer — e em breve.

Alguns preveem que as máquinas quânticas resolverão problemas complexos relacionados às mudanças climáticas. Os computadores quânticos também podem identificar melhores designs de baterias. Eles podem encontrar novas formas de gerar energia renovável ou tornar os sistemas de energia mais eficientes.

Os computadores quânticos também poderiam ajudar a resolver problemas que parecem antigos, mas realmente não são.

Pegue o desafio de mover mercadorias ao redor do mundo. Isso é extremamente difícil de otimizar porque envolve caminhões, trens, navios e aviões se movendo em diferentes ambientes. As empresas de transporte podem economizar tempo, dinheiro e energia usando as melhores rotas. E os computadores quânticos podem ajudar a encontrar esses caminhos.

Parte do trabalho de Lee na IBM é ajudar as pessoas a entender o que os computadores quânticos podem e não podem fazer. Ela também ajuda empresas e pesquisadores a começarem a aprender como usar esses dispositivos. Embora seja um computador, um computador quântico é diferente da tecnologia por trás de laptops, telefones e outros eletrônicos.

Alguns artigos de notícias, diz Lee, exageram nas possibilidades. “Não é apenas um computador mais rápido,” ela diz. “Não vai resolver todos os problemas.”

Um grande desafio é encontrar os problemas que os computadores quânticos resolverão mais rapidamente.

Em alguns casos, um computador quântico pode não oferecer uma vantagem se não houver um algoritmo quântico, ou receita, para resolver um problema. E alguns problemas resolvidos por algoritmos quânticos ainda podem ser resolvidos tão rapidamente por computadores clássicos. Os computadores quânticos também podem não ser bons em tarefas que exigem muita memória, porque ainda não conseguem armazenar muitos dados. Eles também podem não acelerar tarefas que focam em multiplicar ou somar números, porque os computadores clássicos já fazem isso bem.

Mas esses computadores emergentes devem se destacar em certos tipos de problemas, diz Lee. Saber como depende de entender como os computadores quânticos funcionam.

Estranheza quântica

A ciência que levou à computação quântica remonta a centenas de anos. Começou com físicos que queriam saber mais sobre o comportamento da luz.

No século XVII, Isaac Newton argumentou que a luz era composta de pequenas partículas. Mas experimentos nos séculos XVIII e XIX mostraram que a luz se comportava como uma onda. Em 1900, a maioria dos cientistas pensava que a luz era composta de ondas.

Na verdade, tanto a equipe das ondas quanto a equipe das partículas estavam certas — e erradas.

Em 1905, o físico Albert Einstein juntou as peças. Ele propôs que a luz viajava como uma onda, mas podia ser observada como uma partícula. Outro físico mais tarde introduziu o termo “fóton” para esse tipo de partícula.

As descobertas surpreendentes sobre fótons no início do século XX pavimentaram o caminho para os computadores quânticos, diz Lee. A principal delas foi a ideia de superposição.

O princípio da superposição diz que, graças à sua natureza ondulatória, um fóton pode existir em mais de um estado ao mesmo tempo. Aqui, a palavra “estado” descreve alguma propriedade física da partícula, como sua localização. Portanto, a regra da superposição diz que um fóton pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo.

Nunca veremos realmente um fóton em dois estados (como dois lugares) ao mesmo tempo. Assim que você olha para um fóton, ele só tem uma localização. Os físicos explicam isso dizendo que ele “colapsa” em um estado. Mas enquanto um fóton permanece não observado, a superposição permite que ele exista em múltiplos estados ao mesmo tempo.

Os físicos descobriram que os fótons não são as únicas partículas que podem agir como ondas. Elétrons, átomos e até moléculas podem mostrar comportamento ondulatório. Então eles também seguem a regra da superposição. É apenas mais difícil ver esses efeitos quânticos estranhos à medida que você olha para objetos maiores em temperaturas mais altas.

Se isso parece confuso para você, você está em boa companhia.

“Acho que posso dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica,” disse Richard Feynman em uma palestra que deu em 1964. E ele deveria saber. Ele é o físico que teve a ideia de aproveitar a estranheza da superposição em um computador.

Mesmo depois que cientistas e engenheiros como Feynman tiveram a ideia de um computador quântico, levou décadas para construir uma máquina assim. Pense nisso, diz Lee, como “um novo modelo de computação.”

Bits, qubits e emaranhamento

Um computador normal armazena e processa informações usando bits. Um bit é uma espécie de interruptor que pode estar em um de dois estados: ligado ou desligado. Isso pode ser descrito como o bit tendo um valor de “1” ou “0.” Cada bit deve estar em um estado ou outro em qualquer momento.

Os computadores quânticos são diferentes. Em vez de bits, as máquinas quânticas armazenam e processam dados usando qubits. Isso é uma abreviação de “bit quântico.” Qubits podem ser feitos de qualquer partícula ou molécula quântica que possa existir em uma superposição de estados.

Ao contrário de um bit, um qubit não se limita a estar ligado ou desligado. Por causa da superposição, ele tem alguma probabilidade de estar ligado e alguma probabilidade de estar desligado em qualquer momento. Ele não se estabelece em um desses estados até que alguém o meça. Então, ele “colapsa” em um estado único, assim como um fóton faz quando alguém o observa. A combinação de todos esses qubits colapsados revela a resposta ao problema.

Porque podem estar em múlt

iplos estados ao mesmo tempo, qubits podem processar dados mais rapidamente do que bits clássicos, diz Dan Gauthier. Ele é físico na Ohio State University em Columbus. Sua pesquisa se concentra em como usar a tecnologia quântica em novas ferramentas.

Porque eles podem estar em múltiplos estados ao mesmo tempo, qubits podem processar dados mais rapidamente do que bits clássicos, diz Gauthier. Imagine que você queira encontrar o caminho através de um labirinto. Usar um computador clássico é como tentar cada caminho possível um de cada vez. Um computador quântico, por outro lado, age mais como uma névoa que pode flutuar através das paredes, pairar sobre todos os caminhos pelo labirinto e condensar no caminho correto.

Um grupo de qubits conectados pode embalar muita potência de computação. Digamos que você tenha um computador quântico e um computador comum que possam armazenar e computar a mesma quantidade de informação. Se você adicionar apenas um qubit ao computador quântico, seu computador comum agora precisará de duas vezes mais memória para armazenar a mesma informação que o quântico. Também precisará de duas vezes mais tempo para computar o mesmo problema.

Os computadores quânticos também podem receber um impulso de outra característica estranha da física. É chamada de emaranhamento. Os físicos previram esse tipo especial de conexão entre fótons na década de 1930. Se dois fótons estão emaranhados, cada um perde sua individualidade. Os dois agora compartilham um único conjunto de propriedades. Se os cientistas medirem as propriedades de uma partícula, automaticamente saberão essas mesmas propriedades da outra partícula.

A parte mais estranha do emaranhamento? Se você emaranhar duas partículas e levá-las para longe uma da outra, elas permanecem emaranhadas. Isso foi provado em experimentos de laboratório. Albert Einstein famosamente chamou isso de “ação fantasmagórica à distância.” Por quê? Porque parece que as partículas compartilham informações instantaneamente. E nada, nem mesmo a informação, deve viajar mais rápido que a velocidade da luz.

Resolvendo problemas à maneira quântica

Aqui está um exemplo de um problema que um computador quântico pode resolver.

Imagine que seu professor de matemática lhe dá dois números primos muito grandes e pede que você os multiplique. (Lembre-se de que um número primo é divisível apenas por si mesmo e por 1.) Você provavelmente pode fazer isso facilmente, especialmente com uma calculadora.

Agora imagine que você recebe o mesmo problema ao contrário. Seu professor lhe dá um número muito grande e pede que você encontre dois números primos (fatores) que, quando multiplicados, resultarão nesse número grande.

É mais difícil. Você poderia começar tentando dividir o número grande por números primos, subindo a lista número por número. Divida por 2, depois 3, depois 5, depois 7 e assim por diante. Mas uma calculadora não ajudará muito. Nem um computador normal. Mesmo com um bom algoritmo, essa tarefa se torna muito difícil, muito rapidamente. Encontrar fatores para um número de 250 dígitos exigiria milhares de anos em um computador comum.

Não para um computador quântico!

Por causa da superposição quântica, esse dispositivo poderia mais rapidamente eliminar soluções erradas e encontrar as corretas. Em 1994, o matemático Peter Shor descreveu um algoritmo quântico para fazer isso. Os matemáticos acham que o algoritmo de Shor oferece uma aceleração por causa do emaranhamento. Um computador quântico poderoso o suficiente poderia identificar esses fatores rapidamente. Ele pode avaliar todas as soluções de uma vez, explica Gauthier.

A capacidade de encontrar fatores primos de números super grandes pode não parecer útil. Mas poderia realmente representar um risco à privacidade de muitas informações sensíveis enviadas pela internet. Isso pode incluir registros financeiros ou de saúde.

Quando os dados são enviados online, eles são criptografados — ou ocultados de hackers — usando um algoritmo. Um dos algoritmos mais poderosos para criptografia envolve multiplicar números primos grandes. Para decifrar os dados criptografados, o destinatário precisa conhecer esses dois números. Eles atuam como uma espécie de chave para desbloquear a mensagem.

Os observadores podem ser capazes de ver a mensagem criptografada. Mas para decifrá-la, eles precisariam conhecer esses dois fatores primos. E como encontrar esses fatores é um problema difícil para qualquer computador hoje, nenhum hacker deveria ser capaz de encontrar a chave.

Com o algoritmo de Shor, um computador quântico poderia. Então, um hacker poderia decifrar os dados criptografados. Isso deixa os especialistas em segurança de computadores nervosos. Então, os cientistas da computação estão em busca de maneiras seguras de proteger nossos dados contra a computação quântica.

Lee, da IBM, aponta que os computadores quânticos poderão resolver outros problemas complexos do mundo real também. Eles podem ser usados para encontrar novos medicamentos. Ou estudar sistemas financeiros como o mercado de ações. Ou analisar reações químicas — ou até ajudar os cientistas a entender melhor a física quântica.

Além disso, lembre-se do problema de encontrar as rotas mais eficientes para transportar mercadorias? Usando qubits, um computador quântico poderia rapidamente encontrar rotas que fossem mais baratas, rápidas ou eficientes em termos de energia ou que tivessem uma pegada de carbono menor. Ou poderia encontrar uma melhor combinação de todas essas.

O que está impedindo a revolução da computação quântica?

Atualmente, todas essas aplicações permanecem apenas possibilidades. Eles não podem ser calculados ainda, pelo menos não em um tempo razoável. Os computadores quânticos também ainda não têm qubits suficientes — ou precisão suficiente — para fatorar números primos enormes. Então, ainda não representam um risco para dados criptografados.

Na verdade, os qubits de hoje são propensos a erros. Isso porque são suscetíveis a ruídos. O ruído pode ser qualquer coisa que interfira na superposição deles. Sinais de Wi-Fi, por exemplo, ou temperatura.

O ruído mistura as informações armazenadas ou processadas em um computador quântico. Uma grande parte da pesquisa em computadores quânticos se concentra na redução de erros. Isso pode ser feito alterando o design dos chips de computação quântica, melhorando o software ou aproveitando melhor o emaranhamento.

“Estamos ainda descobrindo como é um bom qubit e como eles se comunicam entre si,” diz Lee.

As empresas estão competindo para construir computadores quânticos maiores e melhores. Em outubro de 2023, uma empresa dos EUA chamada Atom Computing revelou o primeiro com mais de 1.000 qubits. A IBM também construiu uma máquina de 1.000 qubits. A versão mais recente do sistema Sycamore do Google tem apenas 70 qubits, mas produz poucos erros.

Os pesquisadores estão animados com o rápido progresso e o potencial desses sistemas. Mas os computadores quânticos precisam de algum tempo e testes antes de serem realmente úteis.

“Se você me perguntar quando teremos algum retorno real, eu não faço ideia,” diz Gauthier. “Estou sempre surpreso com a rapidez com que as coisas estão progredindo. Mas ainda não estou disposto a colocar um prazo real nisso.”

Publicado originalmente no Science News Explores