O segredo do poder de um computador quântico reside na sua capacidade de gerar e manipular bits quânticos, ou qubits.

O que é um qubit?

Os computadores de hoje usam bits – um fluxo de impulsos eléctricos ou ópticos representando 1s ou 0s. Tudo, desde os seus tweets e e-mails às suas canções do iTunes e vídeos do YouTube, são essencialmente longas cadeias destes dígitos binários.

Computadores quantum, por outro lado, usam qubits, que são tipicamente partículas subatómicas, tais como electrões ou fotões. A geração e gestão de qubits é um desafio científico e de engenharia. Algumas empresas, tais como IBM, Google, e Rigetti Computing, utilizam circuitos supercondutores arrefecidos a temperaturas mais frias do que o espaço profundo. Outras, como a IonQ, prendem átomos individuais em campos electromagnéticos num chip de silício em câmaras de ultra-alto vácuo. Em ambos os casos, o objectivo é isolar as qubits num estado quântico controlado.

Qubits têm algumas propriedades quânticas peculiares que significam que um grupo deles ligado pode fornecer muito mais poder de processamento do que o mesmo número de bits binários. Uma dessas propriedades é conhecida como sobreposição e outra é chamada emaranhamento.

O que é superposição?

Qubits pode representar numerosas combinações possíveis de 1 e 0 ao mesmo tempo. Esta capacidade de estar simultaneamente em múltiplos estados é chamada superposição. Para colocar as qubits em sobreposição, os investigadores manipulam-nas usando lasers de precisão ou feixes de microondas.

Graças a este fenómeno contra-intuitivo, um computador quântico com várias qubits em sobreposição pode cristalizar um vasto número de resultados potenciais em simultâneo. O resultado final de um cálculo surge apenas uma vez que as qubits são medidas, o que causa imediatamente o seu estado quântico a “colapso” a 1 ou 0.

O que é o emaranhamento?

Os investigadores podem gerar pares de emaranhados, o que significa que os dois membros de um par existem num único estado quântico. A alteração do estado de um dos pares alterará instantaneamente o estado do outro de uma forma previsível. Isto acontece mesmo que estejam separados por distâncias muito longas.

Ninguém sabe realmente como ou porquê o enredamento funciona. Até desconcertou Einstein, que o descreveu famoso como “acção assustadora à distância”. Mas é a chave para o poder dos computadores quânticos. Num computador convencional, a duplicação do número de bits duplica o seu poder de processamento. Mas graças ao emaranhamento, adicionar qubits extra a uma máquina quântica produz um aumento exponencial na sua capacidade de trituração de números.

Os computadores quânticos utilizam qubits emaranhados numa espécie de cadeia de margaridas quânticas para fazer a sua magia. A capacidade das máquinas para acelerar cálculos usando algoritmos quânticos especialmente concebidos é a razão pela qual há tanta agitação sobre o seu potencial.

Essa é a boa notícia. A má notícia é que as máquinas quânticas são muito mais propensas a erros do que os computadores clássicos por causa da decoherência.

O que é a decoerência?

A interacção de qubits com o seu ambiente de formas que causam a decadência do seu comportamento quântico e acabam por desaparecer é chamada decoerência. O seu estado quântico é extremamente frágil. A mais pequena vibração ou alteração nas perturbações de temperatura conhecidas como “ruído” na fala quântica – pode causar a sua queda para fora da sobreposição antes do seu trabalho ter sido devidamente feito. É por isso que os investigadores fazem o seu melhor para proteger as desistências do mundo exterior nesses frigoríficos e câmaras de vácuo super-refrigerados.

Mas apesar dos seus esforços, o ruído ainda causa muitos erros nos cálculos. Algoritmos quânticos inteligentes podem compensar alguns destes, e acrescentar mais qubits também ajuda. Contudo, é provável que sejam necessários milhares de qubits padrão para criar um único, altamente fiável, conhecido como um qubit “lógico”. Isto irá gastar muito da capacidade computacional de um computador quântico.

E eis a questão: até agora, os investigadores não foram capazes de gerar mais de 128 qubits padrão (ver o nosso contador de qubits aqui). Portanto, ainda estamos a muitos anos de obter computadores quânticos que serão amplamente úteis.

Isso não frustrou as esperanças dos pioneiros de serem os primeiros a demonstrar “supremacia quântica”.”

O que é a supremacia quântica?

É o ponto em que um computador quântico pode completar um cálculo matemático que está comprovadamente fora do alcance mesmo do supercomputador mais potente.

Ainda não é claro exactamente quantas desistências serão necessárias para o conseguir, porque os investigadores continuam a encontrar novos algoritmos para aumentar o desempenho das máquinas clássicas, e o hardware de supercomputação continua a melhorar. Mas investigadores e empresas estão a trabalhar arduamente para reivindicar o título, executando testes contra alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

Há muito debate no mundo da investigação sobre o quão significativa será a realização deste marco miliário. Em vez de esperar que a supremacia seja declarada, as empresas começam já a experimentar computadores quânticos feitos por empresas como a IBM, Rigetti, e a D-Wave, uma empresa canadiana. Empresas chinesas como a Alibaba estão também a oferecer acesso a máquinas quânticas. Algumas empresas estão a comprar computadores quânticos, enquanto outras estão a utilizar computadores disponibilizados através de serviços de computação em nuvem.

Onde é que um computador quântico pode ser mais útil primeiro?

Uma das aplicações mais promissoras dos computadores quânticos é a simulação do comportamento da matéria até ao nível molecular. Fabricantes de automóveis como Volkswagen e Daimler estão a utilizar computadores quânticos para simular a composição química das baterias de veículos eléctricos para ajudar a encontrar novas formas de melhorar o seu desempenho. E as empresas farmacêuticas estão a aproveitá-los para analisar e comparar compostos que poderiam levar à criação de novos medicamentos.

As máquinas também são óptimas para problemas de optimização, pois podem triturar um grande número de potenciais soluções extremamente rápidas. A Airbus, por exemplo, está a utilizá-las para ajudar a calcular as trajectórias de subida e descida mais eficientes em termos de combustível para aeronaves. E a Volkswagen revelou um serviço que calcula as rotas ideais para autocarros e táxis nas cidades, a fim de minimizar o congestionamento. Alguns investigadores também pensam que as máquinas poderiam ser utilizadas para acelerar a inteligência artificial.

Poderia levar bastantes anos para que os computadores quânticos alcançassem todo o seu potencial. As universidades e empresas que nelas trabalham enfrentam uma escassez de investigadores qualificados no terreno – e uma falta de fornecedores de alguns componentes-chave. Mas se estas novas e exóticas máquinas de computação cumprirem a sua promessa, poderiam transformar indústrias inteiras e turbocar a inovação global.