Quando os cientistas quiserem fazer coisas como aproveitar o poder das moléculas durante a fotossíntese, não serão capazes de fazê-lo usando computadores antigos comuns. Eles precisam usar computadores quânticos, capazes de medir e observar sistemas quânticos em nível molecular, bem como resolver a probabilidade condicional de eventos. Basicamente, os computadores quânticos podem realizar bilhões de anos de computação ao longo de um fim de semana – e desvendar alguns dos problemas mais complexos do mundo no processo.
O que é computação quântica?
A computação quântica é um processo que utiliza as leis da mecânica quântica para resolver problemas muito grandes ou complexos para computadores tradicionais. Os computadores quânticos dependem de qubits para executar e resolver algoritmos quânticos multidimensionais.
Na verdade, a computação quântica é muito diferente da computação clássica. O físico quântico Shohini Ghose, da Universidade Wilfrid Laurier, comparou a diferença entre a computação quântica e a clássica a lâmpadas e velas: “A lâmpada não é apenas uma vela melhor; é algo completamente diferente.”
Computação quântica explicada
A computação quântica resolve problemas matemáticos e executa modelos quânticos usando os princípios da teoria quântica. Alguns dos sistemas quânticos usados para modelar incluem fotossíntese, supercondutividade e formações moleculares complexas.
Para entender a computação quântica e como ela funciona, primeiro você precisa entender qubits, superposição, emaranhamento e interferência quântica.
O que são qubitos?
Bits quânticos, ou qubits, são a unidade básica de informação na computação quântica. Mais ou menos como um bit binário tradicional na computação tradicional.
Qubits usam superposição para estar em vários estados ao mesmo tempo. Os bits binários podem representar apenas 0 ou 1. Qubits podem ser 0 ou 1, bem como qualquer parte de 0 e 1 na superposição de ambos os estados.
Do que são feitos os qubits? A resposta depende da arquitetura dos sistemas quânticos, já que alguns requerem temperaturas extremamente baixas para funcionar corretamente. Qubits podem ser feitos de íons presos, fótons, átomos artificiais ou reais ou quasipartículas, enquanto bits binários geralmente são chips baseados em silício.
O que é superposição?
Para explicar a superposição, algumas pessoas evocam o gato de Schrödinger, enquanto outras apontam para os momentos em que uma moeda está no ar durante o lançamento da moeda.
Simplificando, a superposição quântica é um modo em que as partículas quânticas são uma combinação de todos os estados possíveis. As partículas continuam a flutuar e a se mover enquanto o computador quântico mede e observa cada partícula.
O fato mais interessante sobre a superposição – em vez do ponto de foco de duas coisas ao mesmo tempo – é a capacidade de observar os estados quânticos de várias maneiras e fazer perguntas diferentes, disse John Donohue, gerente de divulgação científica da Universidade de Instituto de Computação Quântica de Waterloo. Ou seja, em vez de executar tarefas sequencialmente, como um computador tradicional, os computadores quânticos podem executar um grande número de cálculos paralelos.
Isso é o mais simplificado que podemos conseguir antes de apresentar equações. Mas a principal conclusão é que essa superposição é o que permite a um computador quântico “tentar todos os caminhos ao mesmo tempo”.
O que é entrada?
Partículas quânticas são capazes de corresponder medidas entre si e, quando estão envolvidas nesse estado, isso é chamado de emaranhamento. Durante o emaranhamento, as medições de um qubit podem ser usadas para chegar a conclusões sobre outras unidades. O emaranhamento ajuda os computadores quânticos a resolver problemas maiores e a calcular maiores armazenamentos de dados e informações.
O que é interferência quântica?
À medida que os qubits experimentam a superposição, eles também podem experimentar naturalmente a interferência quântica. Essa interferência é a probabilidade de os qubits entrarem em colapso de uma forma ou de outra. Devido à possibilidade de interferência, os computadores quânticos trabalham para reduzi-la e garantir resultados precisos.
Como funcionam os computadores quânticos?
Os computadores quânticos processam informações de uma maneira fundamentalmente diferente dos computadores clássicos. Os computadores tradicionais operam em bits binários, mas os computadores quânticos transmitem informações por meio de qubits. A capacidade do qubit de permanecer em superposição é o cerne do potencial do quantum para um poder computacional exponencialmente maior.
Os computadores quânticos utilizam uma variedade de algoritmos para realizar medições e observações. Esses algoritmos são inseridos por um usuário, o computador então cria um espaço multidimensional onde padrões e pontos de dados individuais são alojados. Por exemplo, se um usuário quiser resolver um problema de dobramento de proteínas para descobrir a menor quantidade de energia a ser usada, o computador quântico mediria as combinações de dobramentos; esta combinação é a resposta para o problema.
A aparência real de um computador quântico pode variar. Empresas de tecnologia como IBM, Microsoft e Intel desenvolveram simuladores e processadores quânticos que podem ser acessados por meio de compras ou associações especiais. Há também uma variedade de kits de ferramentas quânticas de código aberto no mercado que podem ser acessados on-line, como por meio do GitHub, por exemplo.
A construção física de um verdadeiro computador quântico consiste principalmente em três partes. A primeira parte é um computador e infraestrutura tradicional que executa a programação e envia instruções aos qubits. A segunda parte é um método para transferir sinais do computador para os qubits. Finalmente, é necessário haver uma unidade de armazenamento para os qubits. Esta unidade de armazenamento para qubits deve ser capaz de estabilizar os qubits e certas necessidades ou requisitos devem ser atendidos. Eles podem variar desde a necessidade de estar próximo de zero graus ou o alojamento de uma câmara de vácuo.
Acontece que os Qubits exigem mais manutenção do que até mesmo as estrelas do rock mais propensas ao colapso. Qualquer número de ações ou variáveis simples pode fazer com que qubits propensos a erros caiam em decoerência ou na perda de um estado quântico. Coisas que podem causar a falha de um computador quântico incluem medir qubits e executar operações. Em outras palavras: usá-lo. Mesmo pequenas vibrações e mudanças de temperatura também farão com que os qubits se descoeram.
É por isso que os computadores quânticos são mantidos isolados, e aqueles que funcionam em circuitos supercondutores – o método mais proeminente, preferido pelo Google e pela IBM – têm de ser mantidos quase no zero absoluto (frios -460 graus Fahrenheit).
O desafio é duplo, de acordo com Jonathan Carter, cientista do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Primeiro, os qubits físicos individuais precisam ter melhor fidelidade. Isso poderia acontecer por meio de uma engenharia melhor, da descoberta do layout ideal do circuito e da combinação ideal de componentes. Segundo, temos que organizá-los para formar qubits lógicos.
“As estimativas variam de centenas a milhares a dezenas de milhares de qubits físicos necessários para formar um qubit tolerante a falhas. Acho que é seguro dizer que nenhuma tecnologia que temos no momento poderia atingir esses níveis”, disse Carter.
A partir daí, os pesquisadores também teriam que construir sistemas cada vez mais complexos para lidar com o aumento na fidelidade e nos números dos qubits.
O que a computação quântica pode resolver?
Assim como os qubits podem estar em muitos estados, os problemas e desafios nos quais a computação quântica pode resolver são vastos. Existem vários casos de uso para computação quântica: otimização, probabilidade, simulação molecular, criptografia e pesquisa.
A computação quântica pode otimizar a resolução de problemas usando QCs para executar algoritmos de inspiração quântica. Essas otimizações podem ser aplicadas aos campos da ciência e da indústria porque dependem fortemente de fatores como custo, qualidade e tempo de produção. Com a computação quântica, haverá novas descobertas sobre como gerir o controlo do tráfego aéreo, entregas de pacotes, armazenamento de energia e muito mais.
Um avanço no controle de qualidade ocorreu em 2017, quando pesquisadores da IBM modelaram o hidreto de berílio, a maior molécula simulada em um computador quântico até o momento. Outro passo importante ocorreu em 2019, quando os pesquisadores do IonQ usaram a computação quântica para ir ainda mais longe, simulando uma molécula de água.
Geralmente, esses problemas ainda são pequenos e podem ser verificados usando métodos clássicos de simulação. “Mas está avançando em direção a coisas que serão difíceis de verificar sem realmente construir um grande experimento de física de partículas, que pode ficar muito caro”, disse Donohue.
“A maior parte do interesse [comercial] vem de uma perspectiva de longo prazo. [As empresas] estão se acostumando com a tecnologia para que, quando ela se atualizar – e esse cronograma é um assunto de debate acirrado – elas estejam prontas para isso.”
Também há esperança de que os computadores quânticos em grande escala ajudem a acelerar a IA e vice-versa – embora os especialistas discordem neste ponto. “A razão pela qual há controvérsia é que as coisas precisam ser redesenhadas em um mundo quântico”, disse Rebecca Krauthamer, CEO da consultoria de computação quântica Quantum Thought. “Não podemos simplesmente traduzir algoritmos de computadores normais para computadores quânticos porque as regras são completamente diferentes, no nível mais elementar.”
Alguns acreditam que os computadores quânticos podem ajudar a combater as alterações climáticas, melhorando a captura de carbono. Jeremy O’Brien, CEO da PsiQuantum, com sede em Palo Alto, escreveu que a simulação quântica de moléculas maiores – se conseguida – poderia ajudar a construir um catalisador “para ‘limpar’ o dióxido de carbono diretamente da atmosfera”.
Computadores quânticos existem e estão sendo usados agora. No entanto, não estão actualmente a “resolver” as alterações climáticas, a turbinar as probabilidades de previsão financeira ou a executar outras tarefas igualmente elevadas que são cogitadas em referência ao potencial da computação quântica. O CQ pode ter aplicações comerciais relacionadas a esses desafios, mas isso ainda está no futuro.
Hoje, ainda estamos no que é conhecido como era NISQ – Noisy, Intermediate-Scale Quantum. Em suma, o “ruído” quântico torna esses computadores incrivelmente difíceis de estabilizar. Como tal, não se pode confiar nos computadores NISQ para tomar decisões de grandes consequências comerciais, o que significa que são actualmente utilizados principalmente para investigação e educação.
“A tecnologia ainda não existe para fornecer uma vantagem computacional sobre o que poderia ser feito com outros métodos de computação no momento”, disse Dohonue. “A maior parte do interesse [comercial] vem de uma perspectiva de longo prazo. [As empresas] estão se acostumando com a tecnologia para que, quando ela se atualizar – e esse cronograma é um assunto de debate acirrado – elas estejam prontas para isso.”
Mas a praticidade de P&D dos computadores NISQ é demonstrável, embora decididamente em pequena escala. Donohue cita a modelagem molecular do hidrogênio de lítio. Essa é uma molécula pequena o suficiente para também poder ser simulada usando um supercomputador, mas a simulação quântica oferece uma oportunidade importante para “verificar nossas respostas” após uma simulação de computador clássico.
Geralmente, esses problemas ainda são pequenos e podem ser verificados usando métodos clássicos de simulação. “Mas está avançando em direção a coisas que serão difíceis de verificar sem realmente construir um grande experimento de física de partículas, que pode ficar muito caro”, disse Donohue.
E mentes curiosas podem sujar as mãos agora mesmo. Os usuários podem operar processadores quânticos de pequena escala por meio da nuvem por meio do Q Experience online da IBM e de seu software de código aberto Quiskit. A Microsoft e a Amazon agora têm plataformas semelhantes, chamadas Azure Quantum e Braket. “Essa é uma das coisas legais da computação quântica hoje”, disse Krauthamer. “Todos nós podemos entrar e brincar com isso.”
Por que a computação quântica é importante?
Os computadores quânticos podem ter o potencial de desenraizar alguns dos nossos sistemas atuais. O criptosistema conhecido como RSA fornece a estrutura de segurança para uma série de protocolos de privacidade e comunicação, desde e-mail até transações de varejo na Internet. Os padrões atuais baseiam-se no fato de que ninguém tem o poder computacional para testar todas as maneiras possíveis de decodificar seus dados depois de criptografados, mas um computador quântico maduro poderia tentar todas as opções em questão de horas.
Deve-se enfatizar que os computadores quânticos ainda não atingiram esse nível de maturidade – e não atingirão por algum tempo – mas se e quando um dispositivo grande e estável for construído, sua capacidade sem precedentes de fatorar grandes números deixaria essencialmente o sistema criptográfico RSA em farrapos. Felizmente, a tecnologia ainda está muito distante – e os especialistas estão nisso.
“A comunidade se sente bastante confortável em dizer que isso não acontecerá nos próximos cinco a dez anos.”
“Não entrar em pânico.” É isso que Mike Brown, CTO e cofundador da empresa de criptografia com foco quântico ISARA Corporation, aconselha clientes em potencial ansiosos. A ameaça está longe de ser iminente. “O que ouvimos da comunidade acadêmica e de empresas como IBM e Microsoft é que o prazo de 2026 a 2030 é o que normalmente usamos do ponto de vista do planejamento em termos de preparação dos sistemas”, disse ele.
Os criptógrafos da ISARA estão entre os vários contingentes que atualmente participam do projeto Post-Quantum Cryptography Standardization, uma competição de esquemas de criptografia resistentes a quantum. O objetivo é padronizar algoritmos que possam resistir a ataques de computadores quânticos de grande escala. A competição foi lançada em 2016 pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, uma agência federal que ajuda a estabelecer diretrizes tecnológicas e científicas, e agora se prepara para sua terceira rodada.
Na verdade, o nível de complexidade e estabilidade exigido de um computador quântico para lançar o tão discutido ataque RSA é extremo. Mesmo admitindo que os prazos na computação quântica – particularmente em termos de escalabilidade – são pontos de discórdia.
O futuro da computação quântica
A computação quântica pode ainda estar na sua fase complicada e pouco cooperativa, mas isso não impediu que os interesses comerciais mergulhassem.
A IBM anunciou no Consumer Electronics Show que sua chamada Q Network havia se expandido para mais de 100 empresas e organizações. Os parceiros agora vão da Delta Air Lines à Anthem Health e à Daimler AG, proprietária da Mercedes-Benz.
Algumas dessas parcerias dependem da promessa acima mencionada da computação quântica em termos de simulação molecular. A Daimler, por exemplo, espera que um dia a tecnologia proporcione uma forma de produzir baterias melhores para veículos eléctricos.
Noutros lugares, parcerias entre startups de computação quântica e empresas líderes da indústria farmacêutica – como as estabelecidas entre 1QBit e Biogen, e ProteinQure e AstraZeneca – apontam para a promessa de descoberta de medicamentos da modelação molecular quântica, por mais distante que permaneça.
Os pesquisadores precisariam de milhões de qubits para calcular “as propriedades químicas de uma nova substância”, observou a física teórica Sabine Hossenfelder no Guardian. Mas a base conceitual, pelo menos, está lá. “Um computador quântico já conhece a mecânica quântica, então posso essencialmente programar como outro sistema quântico funcionaria e usar isso para ecoar o outro”, explicou Donohue.
Para pessoas como Michael Biercuk, fundador da empresa de software de engenharia quântica Q-CTRL, “o único marco comercial técnico que importa agora é a vantagem quântica” – ou, como ele usa o termo, quando um computador quântico oferece alguma vantagem de tempo ou custo sobre um computador clássico. Conte-o entre os otimistas: ele prevê um prazo de cinco a oito anos para atingir tal objetivo.
Outra questão em aberto: qual método de computação quântica se tornará padrão? Embora a supercondução tenha dado mais frutos até agora, os pesquisadores estão explorando métodos alternativos que envolvem íons aprisionados, recozimento quântico ou os chamados qubits topológicos. Na opinião de Donohue, não se trata necessariamente de saber qual tecnologia é melhor, mas sim de encontrar a melhor abordagem para diferentes aplicações. Por exemplo, chips supercondutores se adaptam naturalmente à tecnologia de campo magnético que sustenta a neuroimagem.
