Computação quântica explicada

Um computador que pode quebrar a criptografia que protege suas informações privadas na Internet. Uma máquina que pode projetar novos medicamentos poderosos, simulando com precisão o comportamento de moléculas individuais. Um dispositivo que otimiza cadeias de suprimentos complexas para ajudar as empresas a obter as peças de que precisam e montá-las da maneira mais eficiente possível.

Todos esses são exemplos de como uma tecnologia emergente – o computador quântico – pode mudar nosso mundo.

Esses computadores funcionam aproveitando a física quântica – as leis estranhas e muitas vezes contra-intuitivas que governam o universo em suas menores escalas e temperaturas mais frias. Os computadores quânticos de hoje são rudimentares e propensos a erros. Mas se versões mais avançadas e robustas puderem ser feitas, elas têm o potencial de resolver rapidamente certos problemas que levariam anos para os computadores atuais. É por isso que governos, empresas e laboratórios de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando febrilmente para atingir esse objetivo.

Os computadores quânticos não substituirão nossos familiares computadores "clássicos". Em vez disso, os dois tipos de máquinas poderiam trabalhar juntos para resolver problemas que impedem os computadores clássicos, potencialmente sobrecarregando a pesquisa científica em áreas como materiais e descoberta de medicamentos, dando um impulso à indústria e derrubando a segurança cibernética como a conhecemos.

Vamos explorar como os computadores quânticos funcionam.

O que é quântico, afinal?

A física quântica descreve o universo em suas escalas menores e mais fundamentais - pense em átomos e moléculas; luz e energia. As coisas nessas escalas se comportam de maneira muito diferente dos objetos do cotidiano com os quais estamos familiarizados.

Uma das diferenças mais importantes envolve um conceito chamado superposição. Vamos começar considerando um objeto cotidiano em escala humana, como uma pessoa em uma escada. Dependendo do degrau em que a pessoa está, ela tem uma certa quantidade de energia potencial. (Essa energia potencial determina a rapidez com que a pessoa estaria se movendo quando atingisse o chão se pulasse da escada.) Uma pessoa no solo tem a menor quantidade possível de energia neste sistema. Alguém no primeiro degrau tem um pouco mais de energia, e assim por diante até o degrau mais alto.

Por outro lado, objetos minúsculos, como átomos, podem agir como se tivessem duas ou mais quantidades distintas de energia ao mesmo tempo. Em nosso exemplo de escada, isso seria semelhante a ficar simultaneamente nos degraus mais baixos e mais altos da escada - algo que não faz sentido para uma pessoa.

Uma vez colocado nesse tipo de estado de energia mista, conhecido como "superposição quântica", um átomo permanecerá lá até ser medido ou perturbado pelo mundo exterior. Então o átomo "colapsa" para um único estado de energia - seguindo nossa analogia, para o degrau baixo ou alto da escada.

Uma partícula começa em uma superposição quântica do estado de energia 0 e do estado de energia 1. Quando a partícula é medida (representada por uma régua), ela deve "colapsar" instantânea e aleatoriamente para estar totalmente no estado 0 ou no estado 1.

Para colocar essa ideia em termos familiares, o famoso físico Erwin Schrödinger apresentou um experimento mental memorável, embora absurdo: imagine uma caixa perfeitamente selada contendo um gato e uma armadilha de veneno que pode ser acionada pelo decaimento de um átomo radioativo. Como o decaimento do átomo é incerto, a qualquer momento, o gato está em uma superposição de morto e vivo. Somente quando alguém abre a caixa e mede o gato, seu estado "colapsa" para estar definitivamente vivo ou definitivamente morto. Gatos reais não podem estar vivos e mortos, é claro, mas o gato imaginário de Schrödinger se tornou uma metáfora duradoura para ajudar as pessoas a lidar com a estranheza da superposição.

Com base no conceito de superposição, vários átomos ou outros objetos quânticos podem ser emaranhados uns com os outros para compartilhar um único estado quântico. Agora imagine vários gatos na caixa de Schrödinger, vítimas em potencial da mesma armadilha. Esses gatos estão "emaranhados" em uma superposição de todos estarem vivos ou todos mortos. Quando alguém abre a caixa, não apenas o estado de um gato, mas o de todos os gatos imediatamente entra em colapso, e cada gato é encontrado totalmente vivo ou totalmente morto.

"Emaranhamento significa que você tem pelo menos duas coisas que estão sempre conectadas; eles não têm existência independente", explica o físico do NIST Andrew Wilson.

Um par de partículas começa cada uma em uma superposição quântica do estado de energia 0 e do estado de energia 1. Como as partículas também estão emaranhadas umas com as outras, quando uma é medida (representada por uma régua), ambas devem "colapsar" aleatoriamente, de modo que uma esteja totalmente no estado 0 e a outra esteja totalmente no estado 1. O colapso é instantâneo para ambas as partículas, não importa o quão distantes elas estejam.

Esses cenários nos parecem absurdos quando aplicados a objetos familiares, como gatos. Mas no nível atômico, é assim que o mundo funciona. Objetos minúsculos, como átomos, podem existir em vários estados simultaneamente. E esses estados podem ser emaranhados com os de outros objetos, mesmo quando os objetos estão distantes. "Digamos que você tenha um par de partículas emaranhadas e coloque uma na Lua e a outra na superfície da Terra. Se você fizer algo com um na Terra, você afetará simultaneamente o outro", diz Wilson. "É meio romântico!"

Em breve, exploraremos como os físicos usam essas ideias para construir computadores quânticos. Mas primeiro precisamos entender ...

O que é um computador?

Hoje em dia, usamos computadores para quase tudo: jogos e streaming, transações bancárias e compras, acompanhar nossos times favoritos e conversar com amigos e familiares. Mas raramente pensamos sobre o que é um computador ou como ele funciona.

Em seu nível mais fundamental, um computador é qualquer dispositivo que recebe dados, processa-os, armazena-os e cospe fora. Os telefones em nossos bolsos, os servidores em data centers, os microprocessadores em nossos carros e os supercomputadores do tamanho de salas em laboratórios nacionais: todos esses computadores digitais codificam e processam informações usando "bits". Bits são "dígitos binários" que codificam informações - texto, gráficos e assim por diante - como 1s e 0s. Por exemplo, os computadores normalmente representam a letra "A" usando a cadeia de bits "01000001".

Mas os bits, como os computadores dos quais fazem parte, não são apenas conceitos matemáticos. Eles precisam ser realizados em objetos físicos, como minúsculos ímãs de barra ou interruptores elétricos que podem ser colocados em um dos dois estados distintos, digamos, apontados para cima ou para baixo.

Os bits são muito bons no que fazem. Coloque um pouco em um estado "0" ou "1" e ele geralmente permanecerá lá por muito tempo, o que significa que as informações que ele codifica são estáveis e duradouras. Mas os bits também são limitados.

Os computadores quânticos também têm entrada, saída, processamento de informações e memória. Mas, em vez de bits clássicos regulares, os computadores quânticos usam bits quânticos, ou qubits. Como o infeliz gato de Schrödinger, os qubits podem ser colocados em superposições de vários estados. Em outras palavras, um qubit pode estar no estado 0, no estado 1 ou em uma mistura dos dois. E os estados quânticos de qubits individuais podem ser emaranhados uns com os outros.

Esses recursos dão aos computadores quânticos seu superpoder. Enquanto dois bits clássicos contêm apenas duas informações (0 e 1, por exemplo, ou 1 e 0), dois qubits podem conter uma superposição de quatro combinações de 0s e 1s simultaneamente. Três qubits podem conter oito combinações; quatro qubits, 16 combinações e assim por diante. Cada qubit adicional dobra o número de combinações: um aumento exponencial.

Alguém que usa um computador quântico deve primeiro emaranhar qubits para aproveitar seu poder de computação exponencial. O operador então realiza operações nos qubits, como adição, multiplicação ou cálculos mais complicados. Dependendo do tipo de computador quântico, sinais eletromagnéticos ou lasers criam o emaranhamento e as operações.

Embora sejam capazes de computação exponencial, os computadores quânticos são limitados na quantidade de dados que podem extrair desses cálculos – um fato que muitas vezes se perde nas descrições populares, dando a impressão de que os computadores quânticos tentam todas as soluções para um problema de uma só vez.

"Diferentes cálculos podem realmente ser feitos em superposição, alcançando uma espécie de computação paralela", diz Stephen Jordan, pesquisador de computação quântica do Google que foi membro de longa data da equipe do NIST e bolsista . "Mas, ao contrário da crença popular, isso não permite que os computadores quânticos façam uma pesquisa eficiente de 'força bruta' sobre todas as soluções potenciais.

"A medição no final do cálculo pode extrair apenas uma pequena quantidade de informações sobre os resultados de todos esses cálculos", explica Jordan. "A chave é projetar a medição para que ela extraia informações úteis sobre todo o conjunto de resultados feitos em superposição."

(Observação: este artigo descreve computadores quânticos que fazem cálculos usando portas lógicas, semelhantes aos computadores clássicos. Alguns cientistas e empresas estão buscando outra tecnologia conhecida como "recozimento quântico" que poderia ser usada para resolver certos problemas de física e otimização mais rapidamente do que os computadores clássicos.)

O que os computadores quânticos poderiam fazer?

Em uma reunião de físicos em 1981 nos arredores de Boston, o famoso físico Richard Feynman falou sobre a possibilidade de "simular física com computadores Embora outros cientistas tenham desenvolvido ideias semelhantes de forma independente na mesma época, a palestra de Feynman é frequentemente creditada com o lançamento do campo da computação quântica.

Desde então, os cientistas exploraram como os computadores quânticos poderiam, em teoria, simular as regras quânticas fundamentais que governam moléculas, produtos químicos e materiais – algo que os computadores de hoje só podem se aproximar com grande esforço. Se os computadores quânticos eventualmente se tornarem grandes e poderosos o suficiente, os cientistas esperam que essas simulações quânticas possam trazer grandes avanços na ciência dos materiais, desenvolvimento de medicamentos e outras áreas. "Aplicativos matadores" potencialmente transformadores para simulação quântica podem envolver a descoberta de um novo medicamento de grande sucesso ou catalisadores químicos que tornam a produção de fertilizantes ou a captura de gases de efeito estufa do ar mais eficiente.

Em 1994, um matemático chamado Peter Shor publicou um artigo aplicação muito diferente que instantaneamente tornou a computação quântica uma questão de segurança nacional. Os algoritmos que criptografam grande parte de nossos dados funcionam multiplicando números primos muito grandes para criar uma chave secreta - algo que é muito difícil para os computadores clássicos desfazerem. O artigo de Shor descreveu um algoritmo quântico que poderia fatorar rapidamente os imensos números que são produtos desses enormes números primos, potencialmente colocando em risco grande parte das informações criptografadas do mundo.

Os cientistas também acreditam que os computadores quânticos podem superar os computadores clássicos na resolução de problemas complicados de otimização, como ajudar as empresas a organizar processos complexos, como a montagem de aviões, de maneiras mais eficientes.

A maioria dessas aplicações está há anos - talvez até décadas - no futuro. Mas os cientistas começaram a publicar artigos alegando que os computadores quânticos demonstraram uma "vantagem quântica", o que significa que podem superar os computadores clássicos para certas tarefas. Computadores quânticos têm sido usados para calcular as energias de pequenas moléculas, por exemplo, e simular as propriedades magnéticas de coleções de átomos em interação.

Até agora, nenhuma dessas primeiras demonstrações se mostrou realmente útil, diz Scott Glancy, físico do NIST. E, em alguns casos, os cientistas mostraram mais tarde que os computadores tradicionais podem igualar ou exceder o desempenho dos processadores quânticos para algumas tarefas. As demonstrações, no entanto, provam que os computadores quânticos funcionam e podem ser ampliados.

"Parece-me que estamos apenas no limiar de sistemas quânticos fazendo simulações genuinamente novas que não podemos fazer classicamente", diz Glancy.

Além dessas aplicações práticas, os computadores quânticos podem oferecer uma nova maneira de investigar a natureza fundamental da realidade. Um computador quântico em grande escala, se construído com sucesso, conteria alguns dos estados quânticos mais complexos já criados (supondo que os alienígenas ainda não tenham construído tais dispositivos). Esses estados forneceriam uma confirmação importante, embora não surpreendente, da teoria quântica.

Se, por outro lado, os cientistas descobrirem que um computador quântico em grande escala não pode ser construído, isso seria "chocante", diz Glancy. "Isso pode inspirar uma revolução na física. Na minha opinião, essa é uma boa razão para construir um computador quântico."

Por que não temos computadores quânticos hoje?

Os qubits são requintados, mas frágeis. Um campo elétrico ou magnético disperso, flutuações de temperatura ou mesmo um raio cósmico podem arruinar uma superposição ou emaranhamento. Isso força os qubits a um estado 0 ou 1 no qual eles agem como bits comuns. Qualquer pessoa que construa um computador quântico deve encontrar maneiras de manipular os qubits com cuidado, protegendo-os de distúrbios externos.

Além disso, um único qubit por si só vale pouco. Para que um dispositivo quântico faça algo útil, muitos qubits devem ser emaranhados uns com os outros enquanto sustentam superposições. Os melhores computadores quânticos de hoje contêm centenas de qubits interconectados e cometem um erro aproximadamente uma vez a cada mil operações. Um erro altera o estado de um qubit, destruindo ou corrompendo as informações que ele carrega.

(Por outro lado, um computador clássico comete cerca de um erro, como um bit invertendo aleatoriamente de 0 para 1, para cada quintilhão - 1 seguido de 18 zeros - cálculos. E corrigir erros em um computador clássico é muito mais fácil.)

Pesquisadores da indústria, universidades e governos em todo o mundo estão correndo para criar qubits mais confiáveis e construir sistemas eletrônicos e a laser que criem emaranhamento de forma mais eficiente e robusta. E eles estão experimentando muitos tipos de qubits. Em teoria, qualquer partícula ou sistema que obedeça às regras da física quântica, de átomos a minúsculos circuitos e semicondutores, pode atuar como um qubit.

Cada qubit tem vantagens e desvantagens. Por exemplo, um dos tipos de qubit mais populares usa átomos eletricamente carregados conhecidos como íons. Os estados de energia quântica dos elétrons dentro desses íons representam os 0s e 1s (e suas combinações) para computação quântica. Os qubits de íons podem sustentar superposições quânticas por um longo tempo, mas são relativamente lentos na realização de cálculos.

Uma armadilha de íons de ouro sobre alumina dentro de uma caixa que protege os íons de interferências elétricas.

Outro qubit popular usa minúsculos circuitos feitos de supercondutores - materiais que conduzem eletricidade sem resistência em temperaturas muito frias. O comportamento dos elétrons nos circuitos cria estados de energia quantizados que podem ser usados para codificar 0s e 1s. Esses qubits permitem cálculos rápidos e podem ser feitos usando técnicas de fabricação de chips existentes. Mas seus estados quânticos são mais frágeis e de vida mais curta do que os dos qubits de íons.

Um chip que combina um qubit supercondutor (rosa) para armazenar informações quânticas, um barramento quântico (verde) para transportar informações e um switch (roxo) que ajusta as interações entre os outros dois componentes.

Os cientistas também estão experimentando qubits baseados em matrizes de átomos neutros (não eletricamente carregados átomos embutidos em diamantes partículas de luz conhecidas como fótons e pequenos pedaços de silício.

Alguns pesquisadores também estão tentando desenvolver um tipo radicalmente diferente de qubit, conhecido como qubit "topológico", que teria alguma imunidade embutida a erros. Em teoria, os qubits topológicos poderiam codificar informações quânticas no padrão de trança de "quasipartículas" que emergem do comportamento coletivo de partículas individuais, como elétrons. Esses padrões de trança e, portanto, os estados quânticos, seriam protegidos de alguns dos distúrbios externos que podem interromper outros qubits.

Os qubits topológicos requerem temperaturas próximas do zero absoluto e estruturas complicadas, muitas vezes envolvendo materiais supercondutores e semicondutores. Eles se mostraram difíceis de construir, e os pesquisadores ainda estão buscando evidências definitivas de que conseguiram fazer um.

Em última análise, os computadores quânticos podem se casar com vários tipos de qubits para que cada um possa jogar com seus pontos fortes. Os qubits supercondutores ou fotônicos podem processar as operações rapidamente, por exemplo, e depois transferir suas informações para qubits de íons ou diamantes para armazenamento.

Concorrentes do Qubit

Tipo de qubit	Imagem	Descrição
Íon preso		Átomos eletricamente carregados são presos usando campos elétricos e / ou magnéticos para que pairem dentro de uma câmara de vácuo. Seus estados quânticos podem ser controlados e medidos com luz laser e campos eletromagnéticos.
Átomo neutro		Átomos neutros (não carregados) são presos usando luz laser para que pairem dentro de uma câmara de vácuo. Seus estados quânticos podem ser controlados e medidos com luz laser e campos eletromagnéticos.
Supercondutores		Minúsculos circuitos integrados em um chip são resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto. Nessas temperaturas, o comportamento dos elétrons nos circuitos cria estados de energia quantizados que podem ser observados e manipulados usando sinais eletromagnéticos fracos.
Semicondutor		Os eletrodos são usados para prender elétrons dentro de uma pequena região de um material semicondutor (como o silício) que é resfriado até quase o zero absoluto. O estado quântico do elétron pode ser controlado e medido com campos eletromagnéticos.
Fotônicos		Partículas individuais de luz (fótons) podem codificar informações quânticas em sua polarização, comprimento de onda, tempo de chegada ou até mesmo o número de fótons. Dispositivos como divisores de feixe e detectores de fóton único são usados para controlar e medir os estados quânticos codificados.
Topológico		Esse tipo hipotético de qubit, que ainda não foi criado em laboratório, codificaria informações quânticas trançando "quasipartículas" que emergem do comportamento coletivo de partículas individuais, como elétrons. Os estados quânticos seriam codificados em como a trança é torcida, ajudando a protegê-los de distúrbios externos. Os estados seriam controlados e medidos usando campos magnéticos e elétricos.

Uma visão geral de alguns dos tipos de qubit mais estudados e mais bem financiados.Créditos da imagem: N. Hanacek/NIST

Para onde estamos indo?

No curto prazo, os projetistas de computadores quânticos esperam construir máquinas sofisticadas e estáveis o suficiente para realizar tarefas úteis que os computadores tradicionais não podem fazer. Alguns pesquisadores esperam que esses computadores quânticos de "escala intermediária barulhenta" se destaquem na simulação; outros são céticos. Os computadores quânticos atuais estão sendo usados principalmente para explorar certos problemas de física, química e matemática e como bancos de testes para entender como fazer computadores quânticos mais poderosos.

Para outras tarefas, como executar o algoritmo de quebra de código de Shor, um computador quântico pode precisar de milhões de qubits que podem ser executados sem erros indefinidamente, como nossos computadores clássicos fazem. Esse computador quântico provavelmente ainda está muito mais longe.

(Mesmo assim, o NIST desenvolveu novos algoritmos que são considerados à prova de computador quântico e está incentivando empresas e agências governamentais a adotá-los. Saiba mais sobre criptografia pós-quântica.)

Muitos especialistas acreditam que, por serem tão complexos e delicados, os computadores quânticos provavelmente nunca ficarão em mesas ou em nossos bolsos. Em vez disso, eles podem viver dentro de centros de computação comercial, laboratórios nacionais e universidades, onde processarão informações quânticas e fornecerão soluções que tornam nosso mundo mais inteligente, seguro e eficiente.