Como a Mecânica Quântica Mudará a Indústria de Tecnologia

Richard Feynman disse certa vez: “Se você acha que entende a mecânica quântica, então você não entende a mecânica quântica.” Embora isso possa ser verdade, certamente não significa que não possamos tentar. Afinal, para onde estaríamos sem nossa curiosidade inata?

Para entender o poder do desconhecido, vamos desembaralhar os conceitos-chave por trás da física quântica — dois deles, para ser exato (ufa!). É tudo bastante abstrato, na verdade, mas isso é uma boa notícia para nós, porque você não precisa ser um físico teórico vencedor do Prêmio Nobel para entender o que está acontecendo. E o que está acontecendo? Bem, vamos descobrir.

Preparando o terreno

Vamos começar com um breve experimento mental. O físico austríaco Erwin Schrödinger quer que você imagine um gato em uma caixa selada. Até agora, tudo bem. Agora imagine um frasco contendo uma substância letal colocado dentro da caixa. O que aconteceu com o gato? Não podemos saber com certeza. Portanto, até que a situação seja observada, ou seja, abrimos a caixa, o gato está ao mesmo tempo morto e vivo, ou em termos mais científicos, está em uma superposição de estados. Este famoso experimento mental é conhecido como o paradoxo do gato de Schrödinger, e explica perfeitamente um dos dois principais fenômenos da mecânica quântica.

A superposição dicta que, assim como nosso amado gato, uma partícula existe em todos os estados possíveis até o momento em que é medida. “Observar” a partícula destrói imediatamente suas propriedades quânticas, e voilà, ela é novamente governada pelas regras da mecânica clássica.

Agora, as coisas estão prestes a ficar mais complicadas, mas não se desespere — até Einstein foi pegado de surpresa com a ideia. Descrita pelo próprio homem como “ação assustadora à distância”, a entrelaçamento é uma conexão entre um par de partículas — uma interação física que resulta em seu estado compartilhado (ou falta dele, se formos pela superposição).

A entrelaçamento dicta que uma mudança no estado de uma partícula entrelaçada dispara uma resposta imediata e previsível da partícula restante. Para colocar as coisas em perspectiva, vamos jogar duas moedas entrelaçadas no ar. Subsequentemente, vamos observar o resultado. A primeira moeda caiu em cara? Então a medição da moeda restante deve ser coroa. Em outras palavras, quando observadas, partículas entrelaçadas contrariam as medições umas das outras. Não há necessidade de ter medo, no entanto — a entrelaçamento não é tão comum. Ainda não, pelo menos.

O provável herói

“Qual é o ponto de todo esse conhecimento se eu não posso usá-lo?”, você pode estar se perguntando. Qualquer que seja sua pergunta, é provável que um computador quântico tenha a resposta. Em um computador digital, o sistema requer bits para aumentar seu poder de processamento. Portanto, para dobrar o poder de processamento, você simplesmente dobraria a quantidade de bits — isso não é nada semelhante em computadores quânticos.

Um computador quântico usa qubits, a unidade básica de informação quântica, para fornecer capacidades de processamento inigualáveis, mesmo pelas supercomputadoras mais poderosas do mundo. Como? Qubits superpostos podem lidar simultaneamente com uma série de resultados potenciais (ou estados, para ser mais consistente com nossas seções anteriores). Em comparação, um computador digital pode apenas processar um cálculo de cada vez. Além disso, por meio da entrelaçamento, somos capazes de amplificar exponencialmente o poder de um computador quântico, particularmente quando comparado à eficiência dos bits tradicionais em uma máquina digital. Para visualizar a escala, considere a quantidade incrível de poder de processamento que cada qubit fornece, e agora duplique-o.

Nada é perfeito

Mas há um porém — mesmo as vibrações mais leves e as mudanças de temperatura, referidas pelos cientistas como “ruído”, podem causar a decadência das propriedades quânticas e, eventualmente, desaparecerem completamente. Embora você não possa observar isso em tempo real, o que você experimentará é um erro computacional. A decadência das propriedades quânticas é conhecida como decoerência, e é um dos principais obstáculos quando se trata de tecnologia que depende da mecânica quântica.

Em um cenário ideal, um processador quântico é completamente isolado de seu entorno. Para fazer isso, os cientistas usam frigoríficos especializados, conhecidos como refrigeradores criogênicos. Esses refrigeradores criogênicos são mais frios do que o espaço interestelar, e permitem que nosso processador quântico conduza eletricidade com virtualmente nenhuma resistência. Isso é conhecido como um estado supercondutor, e torna os computadores quânticos extremamente eficientes. Como resultado, nosso processador quântico requer uma fração da energia que um processador digital usaria, gerando exponencialmente mais poder e substancialmente menos calor no processo. Em um cenário ideal, pelo menos.

Um (novo) mundo de possibilidades

Previsão do tempo, modelagem financeira e molecular, física de partículas… as possibilidades de aplicação para computação quântica são enormes e prósperas.

Ainda assim, uma das perspectivas mais tentadoras é talvez a da inteligência artificial quântica. Isso porque os sistemas quânticos são excelentes em calcular probabilidades para muitas escolhas possíveis — sua capacidade de fornecer feedback contínuo para software inteligente é inigualável no mercado de hoje. O impacto estimado é imensurável, abrangendo campos e indústrias — desde IA na indústria automotiva até pesquisas médicas. A Lockheed Martin, gigante aerospacial americana, foi rápida em perceber os benefícios e já está liderando com seu computador quântico, usando-o para testar software de piloto automático. Tome nota.

Os princípios da mecânica quântica também são usados para resolver problemas de segurança cibernética. A criptografia RSA (Rivest-Shamir-Adleman), um dos principais métodos de criptografia de dados do mundo, depende da dificuldade de fatorar (muito) grandes números primos. Embora isso possa funcionar com computadores tradicionais, que não são particularmente eficazes em resolver problemas multifatoriais, os computadores quânticos quebrarão facilmente essas criptografias graças à sua capacidade única de calcular vários resultados simultaneamente.

Teoricamente, a distribuição de chaves quânticas resolve isso com um sistema de criptografia baseado em superposição. Imagine que você está tentando transmitir informações confidenciais para um amigo. Para fazer isso, você cria uma chave de criptografia usando qubits, que são então enviados ao destinatário por meio de um cabo óptico. Se os qubits codificados tivessem sido observados por uma terceira parte, tanto você quanto seu amigo teriam sido notificados por um erro inesperado na operação. No entanto, para maximizar os benefícios da QKD, as chaves de criptografia teriam que manter suas propriedades quânticas a todo momento. Mais fácil de dizer do que fazer.

Alimento para pensamento

Isso não para por aí. As mentes mais brilhantes ao redor do globo estão constantemente tentando utilizar entrelaçamento como um modo de comunicação quântica. Até agora, os pesquisadores chineses conseguiram transmitir com sucesso pares de fótons entrelaçados por meio de seu satélite Micius sobre uma distância recorde de 745 milhas. Essa é a boa notícia. A má notícia é que, dos 6 milhões de fótons entrelaçados transmitidos por segundo, apenas um par sobreviveu à viagem (obrigado, decoerência). Um feito incrível, no entanto, este experimento esboça o tipo de infraestrutura que podemos usar no futuro para garantir redes quânticas.

A corrida quântica também viu um recente avanço de quebra da QuTech, um centro de pesquisa na TU Delft, na Holanda — seu sistema quântico opera a uma temperatura acima de um grau mais quente do que o zero absoluto (-273 graus Celsius).

Embora esses feitos possam parecer insignificantes para você e eu, a verdade é que, tentativa após tentativa, essa pesquisa de ponta está nos aproximando de um passo para a tecnologia de amanhã. Uma coisa permanece inalterada, no entanto, e é a realidade gritante de que aqueles que conseguirem aproveitar com sucesso o poder da mecânica quântica terão supremacia sobre o resto do mundo. Como você acha que eles a usarão?