O que são computadores quânticos?

Os computadores quânticos têm o potencial de aumentar dramaticamente a variedade e a precisão dos cálculos, abrindo novas aplicações para computadores e melhorando os nossos modelos de fenómenos físicos. No entanto, embora os computadores quânticos estejam tendo uma cobertura crescente da mídia, muitos ainda não têm certeza de como os computadores quânticos diferem dos computadores normais. Vamos examinar como funcionam os computadores quânticos, algumas de suas aplicações e seu futuro próximo.

O que é um computador quântico?

Antes que possamos examinar significativamente como os computadores quânticos operar, precisamos primeiro definir computadores quânticos. A definição abreviada de um computador quântico é esta: um computador, baseado na mecânica quântica, capaz de realizar certos cálculos complexos com muito mais eficiência do que os computadores tradicionais. Essa é uma definição rápida de computadores quânticos, mas queremos dedicar algum tempo para realmente entender o que separa os computadores quânticos dos computadores tradicionais.

Computadores comuns codificam informações com um sistema binário: representando cada bit dos dados como um ou zero. Séries de uns e zeros são encadeadas para representar blocos complexos de informações, como texto, imagens e áudio. No entanto, nesses sistemas binários, as informações só podem ser armazenadas como uns e zeros, o que significa que há um limite rígido para como os dados são representados e interpretados e que, à medida que os dados se tornam mais complexos, devem necessariamente se tornar cadeias cada vez mais longas de uns e zeros.

A razão pela qual os computadores quânticos são capazes de armazenar e interpretar dados com mais eficiência é porque eles não usam bits para representar dados, mas sim “qubits”. Qubits são partículas subatômicas como fótons e elétrons. Qubits têm algumas propriedades interessantes que os tornam úteis para novos métodos de computação. Qubits têm duas propriedades que os engenheiros de computação podem aproveitar: superposições e emaranhados.

As superposições quânticas permitem que os qubits existam não apenas no estado “um” ou no estado “zero”, mas ao longo de um continuum entre esses estados, o que significa que mais informações podem ser mantidas usando qubits. Enquanto isso, o emaranhamento quântico refere-se a um fenômeno em que pares de qubits podem ser gerados e, se um qubit for alterado, o outro qubit também será alterado, de maneira previsível. Essas propriedades quânticas podem ser usadas para representar e estruturar dados complexos de maneiras mais eficientes.

Como funcionam os computadores quânticos

As “superposições” quânticas recebem esse nome pelo fato de poderem estar em mais de uma posição ao mesmo tempo. Enquanto os bits podem estar em apenas duas posições, os qubits podem existir em vários estados ao mesmo tempo.

Graças em parte à existência de superposições quânticas, um computador quântico é capaz de calcular muitos resultados potenciais diferentes ao mesmo tempo. Depois que os cálculos são feitos, os qubits são medidos, o que cria um resultado final por meio do colapso do estado quântico para 0 ou 1, o que significa que o resultado pode ser interpretado por computadores tradicionais.

Pesquisadores e engenheiros de computação quântica podem alterar a posição em que os qubits estão usando microondas ou lasers de precisão.

Os engenheiros de computação podem aproveitar o emaranhamento quântico para melhorar drasticamente o poder de processamento dos computadores. O emaranhamento quântico refere-se ao fato de que dois qubits podem ser vinculados de tal forma que a alteração de um dos qubits altera o outro qubit de maneira confiável. Não é totalmente compreendido por que os qubits podem estabelecer tal relação ou como esse fenômeno funciona exatamente, mas os cientistas o entendem bem o suficiente para aproveitá-lo potencialmente para computadores quânticos. Por causa do emaranhamento quântico, a adição de qubits extras a uma máquina quântica não apenas dobra o poder de processamento de um computador, mas também pode escalar o poder de processamento exponencialmente.

Se tudo isso parece um pouco abstrato demais, podemos descrever como as superposições são úteis imaginando um labirinto. Para um computador normal tentar resolver um labirinto, ele deve tentar cada caminho do labirinto até encontrar uma rota bem-sucedida. No entanto, um computador quântico pode essencialmente explorar todos os caminhos diferentes de uma só vez, já que não está vinculado a nenhum estado específico.

Tudo isso é para dizer que as propriedades de emaranhamento e superposições tornam os computadores quânticos úteis porque podem lidar com a incerteza, são capazes de explorar mais estados e resultados possíveis. Os computadores quânticos ajudarão cientistas e engenheiros a modelar e entender melhor situações multifacetadas, com muitas variáveis.

Para que servem os computadores quânticos?

Agora que temos uma intuição melhor de como os computadores quânticos operam, vamos explorar as possibilidades casos de uso para computadores quânticos.

Já mencionamos o fato de que os computadores quânticos podem ser usados ​​para realizar cálculos tradicionais em um ritmo muito mais rápido. No entanto, a tecnologia de computação quântica pode ser usada para alcançar coisas que podem não ser possíveis, ou são altamente impraticáveis, com computadores tradicionais.

Uma das aplicações mais promissoras e interessantes dos computadores quânticos está no campo da inteligência artificial. Os computadores quânticos têm o poder de melhorar os modelos criados pelas redes neurais, bem como o software que os suporta. Atualmente, o Google está usando seus computadores quânticos para ajudar na criação de veículos autônomos.

Os computadores quânticos também têm um papel a desempenhar na análise de Interações e reações químicas. Mesmo os computadores normais mais avançados só podem modelar reações entre moléculas relativamente simples, o que eles conseguem simulando as propriedades das moléculas em questão. Os computadores quânticos, no entanto, permitem que os pesquisadores criem modelos que tenham as propriedades quânticas exatas das moléculas que estão pesquisando. A modelagem de moléculas mais rápida e precisa ajudaria na criação de novos medicamentos terapêuticos e novos materiais para uso na criação de tecnologia energética, como painéis solares mais eficientes.

Computadores quânticos também podem ser usados para prever melhor o tempo. O clima é a confluência de muitos eventos e as fórmulas usadas para prever os padrões climáticos são complicadas, contendo muitas variáveis. Pode levar um tempo extremamente longo para realizar todos os cálculos necessários para prever o tempo, durante o qual as próprias condições meteorológicas podem evoluir. Felizmente, as equações usadas para prever o clima têm uma natureza ondulatória que um computador quântico pode explorar. Os computadores quânticos podem ajudar os pesquisadores a construir modelos climáticos mais precisos, necessários em um mundo onde o clima está mudando.

Computadores quânticos e algoritmos também podem ser usados ​​para ajudar a garantir a privacidade dos dados das pessoas. Criptografia quântica faz uso do princípio da incerteza quântica, onde qualquer tentativa de medir um objeto acaba fazendo alterações nesse objeto. Tentativas de interceptar comunicações influenciariam a comunicação resultante e mostrariam evidências de adulteração.

Futuro da Computação Quântica

A maioria dos usos para computadores quânticos será confinada a acadêmicos e empresas. É improvável que os consumidores/público em geral adquiram smartphones quânticos, pelo menos não tão cedo. Isso ocorre porque requer equipamentos especializados para operar um computador quântico. Os computadores quânticos são altamente sensíveis a distúrbios, pois mesmo as mudanças mais mínimas no ambiente circundante podem fazer com que os qubits mudem de posição e saiam do estado de superposição. Isso é chamado de decoerência e é uma das razões pelas quais os avanços nos computadores quânticos parecem ser tão lentos em comparação com os computadores comuns. Computadores quânticos normalmente precisam operar em condições de temperaturas extremamente baixas, isolados de outros equipamentos elétricos.

Mesmo com todos os cuidados, o ruído ainda consegue gerar erros nos cálculos, e os pesquisadores buscam formas de tornar os qubits mais confiáveis. Para alcançar a supremacia quântica, onde um computador quântico eclipsa totalmente o poder de um supercomputador atual, os qubits precisam ser vinculados. Um computador supremo verdadeiramente quântico pode exigir milhares de qubits, mas os melhores computadores quânticos de hoje podem normalmente lidam apenas com cerca de 50 qubits. Os pesquisadores estão constantemente avançando no sentido de criar qubits mais estáveis ​​e confiáveis. Especialistas na área de computadores quânticos prevêem que dispositivos quânticos poderosos e confiáveis pode estar aqui dentro de uma década.