Entenda como funciona um Computador Quântico!

Profissionais que trabalham com processamento de dados científicos, big data e machine learning, sabem que a execução de cálculos muito complexos pode exigir máquinas realmente poderosas. O computador quântico faz uso de propriedades da mecânica quântica, tais como sobreposição e interferência, para executar cálculos que seriam impraticáveis em termos de processamento na computação tradicional.

Diferente dos modelos convencionais de computação, que se baseiam em representações clássicas de memória computacional, como a máquina de Turing ou o cálculo de Lambda, a computação quântica possibilita transformar a memória em uma superposição quântica de possíveis estados clássicos [1].

Os computadores quânticos representam uma das inovações tecnológicas mais fascinantes e desafiadoras do nosso tempo. Com o potencial para resolver problemas complexos muito mais rapidamente do que os melhores supercomputadores atuais, eles prometem transformar uma série de campos, desde a criptografia até a pesquisa de novos materiais e medicamentos.

Neste artigo, falaremos sobre a origem da computação quântica e da sua aplicabilidade real, principalmente após recente avanço do time da Google AI, que declarou ter executado em 200 segundos uma tarefa que demoraria 10 mil anos utilizando um supercomputador tradicional.

Também exploraremos os fundamentos dos computadores quânticos, suas diferenças em relação aos computadores clássicos, seus componentes, funções, valor e o futuro dessa tecnologia revolucionária.

O que é um Computador Quântico?

Um computador quântico é um tipo de computador que utiliza princípios da mecânica quântica para processar informações. Diferente dos computadores tradicionais, que usam bits como a menor unidade de dados (cada um representando um estado de 0 ou 1), os computadores quânticos usam qubits, que podem existir simultaneamente em múltiplos estados graças ao fenômeno da superposição.

História da Computação Quântica

O desenvolvimento das pesquisas relacionadas à computação quântica iniciou-se ainda na década de 50, quando os primeiros cientistas teorizaram sobre a possibilidade de aplicar as leis da física e da mecânica quântica no processamento computacional.

Já em 1981, Richard Feynman apresentou, em uma conferência do MIT, a proposta para utilização, em computadores, de sistemas quânticos.

As décadas de 80 e de 90 foram marcadas por proposições teóricas acerca da viabilidade da computação quântica e de algoritmos que seriam aplicados nesta nova arquitetura.

O primeiro processador quântico só viria a surgir em 2007, desenvolvido pela empresa canadense D-Wave e conhecido como Orion. Esta mesma empresa foi a primeira a comercializar o primeiro computador quântico em 2011, o D-Wave One. Entretanto, este computador ainda não era totalmente independente, pois necessitava ser utilizado em conjunto com computadores convencionais.

Em 2019, o Google afirmou ter atingido a supremacia quântica, ponto em que uma atividade que levaria milhares de anos para ser executada por um supercomputador tradicional é executada em minutos por um computador quântico.

Embora essa supremacia liderada pelo Google seja uma ótima notícia, ainda existe muito avanço a ser desenvolvido neste campo.

A Mecânica Quântica é considerada a mais bem sucedida teoria física, tendo sido aplicada em diversos ramos, como na física de partículas, atômica e molecular até na astrofísica e na matéria condensada. [2]

Como funciona um computador quântico?

Para compreender o funcionamento de um computador quântico de forma profunda é preciso conhecer alguns conceitos advindos da física quântica, como sobreposição quântica, experiência do gato de Schrödinger, entrelaçamento quântico ou “ação fantasmagórica à distância”, teletransporte quântico e o espalhamento de Rutherford.

Entretanto, neste artigo, não entraremos em detalhes desses fenômenos quânticos. Focaremos nas diferenças entre as duas arquiteturas: a computação baseada em transistores e a computação quântica.

A primeira grande diferença é que enquanto os computadores atuais utilizam bits como unidades básicas de informação, o computador quântico utiliza o Bit quântico ou q-bit.

Diferentemente da computação clássica em que a informação pode assumir os estados ‘0’ ou ‘1’, agora também é possível assumir ambos os estados ao mesmo tempo.

Ou seja, se na computação clássica o processamento é sequencial, na computação quântica o processamento é simultâneo.

Este processo significa o fim da dualidade de estados, pois os q-bits podem apresentar vários estados. Assim, uma partícula pode estar em diferentes estados simultaneamente, o que caracteriza o processo da superposição e permite cálculos simultâneos.

Para a manipulação dos estados quânticos utilizam-se portas lógicas quânticas, dispositivos que utilizam manipulação de probabilidades com técnicas ópticas para radiação eletromagnética. Neste processo, átomos podem ser excitados ou não, ou ainda sim e não ao mesmo tempo.

Outro método, mais estável para a transmissão de informações, utiliza a manipulação de fótons. O problema deste outro método é que é necessário o uso de um átomo mediador, o que adiciona ruído ao processo.

Já para realizar o armazenamento dos q-bits, utiliza-se armadilhas de íons, denominadas “íon traps”.

Ou seja, na computação quântica saímos de uma arquitetura de transistores, em que o aumento de velocidade se dá na miniaturização de componentes de hardware, e passamos a utilizar uma arquitetura em que o limite físico de compenentes está em escala atômica.

Componentes de um Computador Quântico

O coração de um computador quântico é seu conjunto de qubits. Diferente dos bits tradicionais, os qubits podem representar 0, 1, ou qualquer superposição de ambos, devido às propriedades quânticas como a superposição e o emaranhamento. Aqui estão alguns dos principais componentes de um computador quântico:

Qubits

São a unidade básica de informação em um computador quântico. Eles podem ser implementados usando uma variedade de tecnologias, incluindo íons aprisionados, circuitos supercondutores, e defeitos em diamantes.

Sistema de Resfriamento

Devido à delicada natureza dos qubits e sua tendência a perder suas propriedades quânticas com qualquer tipo de interferência externa, os computadores quânticos requerem um ambiente extremamente frio, muitas vezes próximo ao zero absoluto.

Portas Lógicas Quânticas

Assim como os computadores clássicos usam portas lógicas para realizar operações nos bits, os computadores quânticos usam portas lógicas quânticas para manipular qubits.

Sistema de Medição

Para ler a informação de um qubit, um sistema de medição é necessário. Este componente é crucial porque o ato de medição também perturba o estado do qubit.

Diferença entre Computador Clássico e Quântico

A principal diferença entre computadores quânticos e clássicos reside na forma como eles processam informações. Enquanto os computadores clássicos processam informações de forma binária através de bits, os computadores quânticos usam qubits, permitindo-lhes processar informações em uma escala exponencialmente mais vasta devido à superposição e ao emaranhamento quântico.

Funções de um Computador Quântico

Os computadores quânticos têm potencial para executar tarefas computacionais extremamente complexas de maneira mais eficiente do que os computadores clássicos. Algumas das funções mais promissoras incluem:

1. Criptografia: Podem potencialmente quebrar muitos dos sistemas criptográficos atualmente em uso, processando algoritmos como o RSA, que são praticamente inquebráveis pelos computadores atuais.

2. Pesquisa de Medicamentos: Os computadores quânticos podem modelar interações moleculares em um nível muito mais detalhado, acelerando a descoberta de novos medicamentos.

3. Otimização de Problemas: Podem resolver problemas complexos de otimização em áreas como logística e planejamento de rotas mais rapidamente do que qualquer supercomputador clássico.

Valor de um Computador Quântico

O valor dos computadores quânticos não reside apenas na sua capacidade de realizar cálculos rápidos. Eles oferecem a possibilidade de resolver problemas que atualmente são considerados intransponíveis pelos computadores clássicos, abrindo novas fronteiras em pesquisa científica, inteligência artificial, materiais de engenharia, meteorologia, entre outros.

Quando Teremos Computadores Quânticos?

Embora os computadores quânticos estejam em fase de pesquisa e desenvolvimento, várias empresas de tecnologia e instituições de pesquisa já desenvolveram protótipos funcionais. Empresas como Google, IBM e D-Wave têm liderado o caminho, com o Google anunciando ter alcançado a “supremacia quântica” em 2019, um termo usado quando um computador quântico pode resolver um problema que é inacessível para um computador clássico em um tempo razoável.

Aplicabilidade da computação quântica

Os computadores quânticos operam com princípios completamente diferentes dos computadores atuais, o que os torna realmente adequados para resolver problemas matemáticos específicos, como encontrar números primos muito grandes.

Além disso, no campo da ciência, muitos cálculos não podem ser executados hoje por supercomputadores tradicionais, como modelagem de reações químicas complexas ou projetar novas moléculas para uso na medicina. [3]

Esses são alguns exemplos de problemas não resolvidos hoje, mas que teriam solução com um computador quântico. Por exigir cuidados específicos, a tendência é que o processamento quântico será fornecido via serviços de computação em nuvem, oferecidos por empresas como Google, IBM, Microsoft e Amazon.

Conclusão

O futuro dos computadores quânticos é promissor e desafiador. Embora existam muitos obstáculos técnicos a serem superados, o progresso contínuo na pesquisa e desenvolvimento sugere que poderíamos ver os primeiros usos práticos dessa tecnologia em alguns setores dentro dos próximos anos.

À medida que melhoramos a estabilidade e a escala dos qubits e desenvolvemos novos algoritmos quânticos, o impacto dos computadores quânticos continuará crescendo, potencialmente mudando a face da tecnologia como a conhecemos.

A integração de computadores quânticos no mainstream da computação ainda pode estar a alguns anos de distância, mas é inegável que eles já estão moldando o futuro da tecnologia. Para profissionais da área de dados, engenheiros e cientistas, o advento da computação quântica oferece uma oportunidade emocionante e desafiadora para expandir os limites do que é tecnologicamente possível.