O que são Computadores Quânticos?

Computadores quânticos têm o potencial de aumentar dramaticamente a variedade e a precisão dos cálculos, abrindo novas aplicações para computadores e aprimorando nossos modelos de fenômenos físicos. No entanto, enquanto os computadores quânticos estão recebendo cada vez mais cobertura midiática, muitas pessoas ainda não sabem como os computadores quânticos diferem dos computadores regulares. Vamos examinar como os computadores quânticos funcionam, algumas de suas aplicações e seu futuro próximo.

O que é um Computador Quântico?

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

Os computadores regulares codificam informações com um sistema binário: representando cada bit dos dados como um ou zero. Séries de uns e zeros são encadeadas para representar informações complexas, 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, eles devem necessariamente se tornar cadeias mais longas de uns e zeros.

A razão pela qual os computadores quânticos são capazes de armazenar e interpretar dados de forma mais eficiente 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 cálculo. Qubits têm duas propriedades que os engenheiros de computador podem aproveitar: superposições e entrelaçamento.

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 armazenadas usando qubits. Enquanto isso, o entrelaçamento quântico se refere a um fenômeno em que pares de qubits podem ser gerados e, se um qubit for alterado, o outro qubit também é alterado de forma previsível. Essas propriedades quânticas podem ser usadas para representar e estruturar dados complexos de maneiras mais eficientes.

Como os Computadores Quânticos Operam

As “superposições” quânticas recebem esse nome porque elas podem 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. Uma vez que os cálculos estejam concluídos, 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.

Os pesquisadores e engenheiros de computação quântica podem alterar a posição em que os qubits estão usando micro-ondas ou lasers de precisão.

Os engenheiros de computador podem aproveitar o entrelaçamento quântico para melhorar dramaticamente a capacidade de processamento dos computadores. O entrelaçamento quântico se refere ao fato de que dois qubits podem ser ligados de tal forma que a alteração de um qubit altera o outro qubit de forma confiável. Não se entende completamente por que os qubits podem estabelecer tal relacionamento ou como esse fenômeno funciona exatamente, mas os cientistas entendem bem o suficiente para potencialmente aproveitar isso para computadores quânticos. Devido ao entrelaçamento quântico, a adição de qubits extras a uma máquina quântica não apenas dobra a capacidade de processamento do computador, mas pode escalar a capacidade de processamento exponencialmente.

Se tudo isso parece um pouco abstrato, 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 poderia essencialmente explorar todos os diferentes caminhos ao mesmo tempo, desde que não esteja preso a um estado específico.

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

Para que Servem os Computadores Quânticos?

Agora que temos uma melhor intuição de como os computadores quânticos operam, vamos explorar os possíveis 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 computador quântico 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 é no campo da inteligência artificial. Os computadores quânticos têm o poder de melhorar os modelos criados por redes neurais, bem como o software que as suporta. O Google está atualmente usando seus computadores quânticos para assistir na criação de veículos autônomos.

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

Os computadores quânticos também podem ser usados para prever melhor o clima. O clima é a confluência de muitos eventos e as fórmulas usadas para prever padrões climáticos são complicadas, contendo muitas variáveis. Pode levar um tempo extremamente longo para realizar todos os cálculos necessários para prever o clima, durante o qual as próprias condições climáticas 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 criar modelos climáticos mais precisos, que são necessários em um mundo onde o clima está mudando.

Os computadores quânticos e algoritmos também podem ser usados para ajudar a garantir a privacidade dos dados das pessoas. Criptografia quântica faz uso do princípio de 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 manipulação.

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 obtenham smartphones quânticos, pelo menos não tão cedo. Isso ocorre porque é necessário equipamento especializado para operar um computador quântico. Os computadores quânticos são altamente sensíveis a perturbações, pois mesmo as mudanças mais mínimas no ambiente circundante podem causar 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 vir tão lentamente em comparação com os computadores regulares. Os computadores quânticos geralmente precisam operar em condições de temperaturas extremamente baixas, isolados de outros equipamentos elétricos.

Mesmo com todas as precauções, o ruído ainda consegue criar erros nos cálculos, e os pesquisadores estão procurando maneiras de tornar os qubits mais confiáveis. Para alcançar a supremacia quântica, onde um computador quântico eclipsa completamente o poder de um supercomputador atual, os qubits precisam ser ligados. Um computador quântico verdadeiramente supremo pode exigir milhares de qubits, mas os melhores computadores quânticos de hoje podem lidar com cerca de 50 qubits. Os pesquisadores estão constantemente fazendo progressos para criar qubits mais estáveis e confiáveis. Especialistas no campo de computadores quânticos preveem que dispositivos quânticos poderosos e confiáveis podem estar aqui dentro de uma década.