Desde a concepção inicial do computador quântico na década de 1980, a indústria experimentou um crescimento notável, impulsionado principalmente pela última década. Inúmeras empresas estão agora dedicadas ao desenvolvimento dessas máquinas revolucionárias.
Entender a fundo a computação quântica pode ser um desafio para muitos, e as explicações disponíveis frequentemente negligenciam detalhes cruciais.
Este artigo busca oferecer uma visão abrangente do assunto. Ao lê-lo na íntegra, você terá uma compreensão sólida da computação quântica, incluindo seus diversos tipos, princípios de funcionamento, algoritmos, modelos, abordagens, obstáculos e aplicações.
O que são computadores quânticos?
Computadores quânticos abordam a resolução de problemas de forma distinta dos computadores tradicionais, que, daqui em diante, serão referidos como computadores clássicos.
A vantagem dos computadores quânticos sobre os clássicos reside na sua capacidade de existir em múltiplos estados simultaneamente. Enquanto um computador clássico opera em um estado por vez, os quânticos exploram essa propriedade para certos tipos de problemas.
Fonte da imagem: IBM
Para compreender o funcionamento dos computadores quânticos, é fundamental entender três conceitos-chave: Superposição, Emaranhamento e Interferência.
Os computadores clássicos operam com bits, enquanto os quânticos utilizam bits quânticos, ou qubits. A diferença essencial reside na forma como cada um deles processa informações.
Um bit clássico pode ser comparado a uma chave, estando em 0 ou 1, o sistema binário com o qual estamos familiarizados. Ao medirmos um bit, descobrimos seu estado atual. No entanto, esse não é o caso para um qubit, que é mais complexo.
Superposição
Uma analogia útil é imaginar um qubit como uma seta apontando em um espaço 3D. Se ela apontar para cima, está no estado 1; para baixo, no estado 0, similar a um bit clássico. Contudo, qubits também podem existir em um estado de superposição, quando a seta aponta em qualquer outra direção.
A superposição é, portanto, uma combinação dos estados 0 e 1.
Estado de superposição
Ao medir um qubit em superposição, o resultado será 0 ou 1. A probabilidade de cada resultado é determinada pela direção da seta.
Se a seta estiver mais próxima do topo, há maior probabilidade de obter 1. Se estiver mais próxima da base, maior chance de 0. Se estiver exatamente no equador, a probabilidade de ambos os estados é de 50%.
Com a superposição explicada, vamos agora abordar o conceito de emaranhamento.
Emaranhamento
Em computadores clássicos, os bits são independentes entre si, ou seja, o estado de um bit não afeta o de outros. Já em computadores quânticos, os qubits podem se emaranhar, formando um sistema único.
Considere dois qubits em estados de superposição, mas ainda não emaranhados. Suas probabilidades são independentes. Mas quando emaranhados, devemos abandonar essas probabilidades independentes e calcular uma distribuição de probabilidade para os estados possíveis: 00, 01, 10 ou 11.
O ponto essencial é que, com qubits emaranhados, alterar a direção da seta em um qubit altera a distribuição de probabilidade de todo o sistema, que passa a ser uma unidade indivisível.
Isso se aplica a qualquer número de qubits. Um qubit tem uma probabilidade distribuída em dois estados. Dois qubits, em quatro. Três qubits, em oito estados, dobrando o número a cada novo qubit.
Em um computador quântico com *n* qubits, há uma combinação de 2^n estados. Esta é a principal distinção entre computadores clássicos e quânticos.
Os computadores clássicos podem estar em qualquer estado, mas apenas um por vez. Os quânticos, por outro lado, podem estar em uma superposição de todos esses estados simultaneamente.
Como a superposição auxilia na computação? É aí que a interferência entra em jogo.
Interferência
Para explicar a interferência, vamos revisitar a imagem de um qubit na esfera de Bloch. A esfera é apenas uma representação; um qubit é, na verdade, descrito por uma função de onda quântica.
Funções de onda são as descrições matemáticas fundamentais na mecânica quântica. Ao emaranhar vários qubits, suas funções de onda se combinam em uma função de onda geral, que descreve o estado do computador quântico.
Essa combinação é a interferência, pois as ondas podem se somar de forma construtiva (aumentando a amplitude) ou destrutiva (cancelando-se).
A função de onda geral determina as probabilidades dos diferentes estados. Manipulando os estados dos qubits, podemos alterar as probabilidades dos estados quando medimos o computador quântico.
Embora o computador quântico possa estar em uma superposição de milhões de estados, a medição resulta em apenas um estado. Ao resolver um problema, usamos interferência construtiva para aumentar a probabilidade da resposta correta e interferência destrutiva para diminuir a probabilidade das incorretas.
Algoritmos Quânticos
O desenvolvimento de algoritmos quânticos é crucial, pois há uma gama de problemas que computadores quânticos podem resolver, teoreticamente, de maneira mais eficiente do que os clássicos. Exploraremos um dos algoritmos mais importantes: o algoritmo de Shor.
#1. Algoritmo de Shor
Multiplicar dois números grandes é rápido para computadores clássicos. No entanto, o processo inverso – encontrar os fatores que compõem um número grande – é muito mais difícil.
Essa operação, chamada de fatoração, é computacionalmente desafiadora. O espaço de busca de fatores possíveis é vasto, e não há um algoritmo clássico eficiente para encontrá-los.
Essa dificuldade é a base da criptografia moderna. Informações criptografadas podem ser descriptografadas se os fatores forem conhecidos. Caso contrário, encontrar esses fatores é muito difícil para os computadores clássicos.
Algoritmo de Shor
Em 1994, Peter Shor publicou um algoritmo quântico que poderia fatorar números grandes de forma eficiente, o que despertou grande interesse no campo da computação quântica, devido às suas implicações para a segurança.
Mas, quão “rápido” é um algoritmo quântico e como se compara a um computador clássico? Para entender isso, precisamos abordar a teoria da complexidade quântica.
Teoria da complexidade quântica
A teoria da complexidade quântica categoriza algoritmos com base na sua eficiência em computadores. Ela avalia a dificuldade de resolver um problema à medida que ele se torna maior.
Problemas na categoria P são fáceis para computadores clássicos, mas existem outros problemas, como a fatoração de números grandes, que exigem muito mais esforço.
Existe um grupo, BQP, que é eficiente para computadores quânticos, mas não para os clássicos. Problemas nessa categoria são o principal foco da computação quântica.
A complexidade computacional avalia o aumento da dificuldade à medida que o problema se torna maior. Se um problema de fatoração com 8 dígitos se torna muito mais difícil com a adição de um dígito adicional, qual a relação? É exponencial, linear ou outra?
A complexidade de fatoração é exponencial. Qualquer coisa com N no expoente é exponencialmente difícil. Um algoritmo melhor para esses problemas eleva o prestígio do seu criador.
O algoritmo de Shor aproveitou os recursos quânticos para criar um algoritmo que escala melhor do que o melhor algoritmo clássico para fatoração.
O melhor algoritmo clássico é exponencial, enquanto o algoritmo de Shor é polinomial, o que é uma grande conquista, já que transforma um problema insolúvel em um problema solucionável.
Mas isso só é possível se tivermos um computador quântico funcional. Os computadores quânticos atuais não conseguem executar o algoritmo de Shor em números grandes o suficiente, então, não há motivos para preocupação com sua conta bancária.
IBM Quantum
Eles precisariam de muitos qubits para isso. Atualmente, os computadores quânticos mais avançados têm cerca de 433.
Além disso, a comunidade está desenvolvendo métodos de criptografia pós-quântica, que não dependem da fatoração de números inteiros. Tecnologias como a criptografia quântica também podem ser usadas.
Exploramos um algoritmo quântico, mas há muitos outros, cada um com seu próprio potencial.
#2. Algoritmo de Grover
Outro exemplo é o algoritmo de Grover, que pode pesquisar em listas de dados não estruturados de forma mais rápida que o melhor algoritmo clássico.
Mas é importante não desconsiderar os computadores clássicos, que são dispositivos versáteis. Sempre há a possibilidade de alguém desenvolver um algoritmo clássico ainda melhor para problemas como a fatoração de números inteiros. Embora seja improvável, não é impossível.
Além disso, há problemas que são impossíveis de serem resolvidos em computadores clássicos (problemas não computáveis), como o problema da parada, e também são impossíveis em computadores quânticos.
Portanto, do ponto de vista computacional, computadores clássicos e quânticos são equivalentes. As diferenças vêm dos algoritmos que eles podem executar. É possível simular um computador quântico em um clássico e vice-versa.
No entanto, simular um computador quântico em um clássico se torna exponencialmente mais difícil à medida que o número de qubits simulados aumenta. Computadores clássicos têm dificuldades em simular sistemas quânticos. Computadores quânticos não têm esse problema, já que eles próprios são sistemas quânticos, o que nos leva à próxima aplicação: a simulação quântica.
#3. Simulação Quântica
A simulação quântica usa computadores para simular reações químicas ou o comportamento de elétrons em diferentes materiais. Computadores quânticos têm uma aceleração exponencial nesse tipo de tarefa porque computadores clássicos têm dificuldade de simular sistemas quânticos.
Simular até mesmo sistemas quânticos simples é um desafio para os supercomputadores mais poderosos. Embora não seja possível fazê-lo com computadores quânticos ainda, o objetivo é simular sistemas cada vez maiores.
Isso inclui, entre outros, o comportamento de materiais exóticos em baixas temperaturas, o estudo da supercondutividade ou de reações químicas para otimizar fertilizantes com baixas emissões de carbono (a produção de fertilizantes é responsável por 2% das emissões globais de carbono).
Você pode aprender mais sobre simulação de química quântica.
Simulação Quântica
Outras aplicações da simulação quântica incluem melhoria de painéis solares, baterias e desenvolvimento de novos medicamentos, produtos químicos ou materiais para a indústria aeroespacial.
Em geral, a simulação quântica agilizaria processos, permitindo a prototipagem rápida de diversos materiais dentro de um computador quântico, testando todos os seus parâmetros físicos sem a necessidade de fabricá-los fisicamente, o que seria um processo muito mais trabalhoso e dispendioso.
Essas são todas aplicações potenciais, pois não temos computadores quânticos capazes de superar os clássicos em problemas do mundo real. Mas são esses tipos de problemas que os computadores quânticos foram projetados para resolver.
Modelos de computadores quânticos
Existem diversas abordagens para transformar sistemas quânticos em computadores, e é preciso entender as nuances.
O modelo de circuito
Neste modelo, qubits interagem por meio de portas quânticas, que alteram seus estados. Essas portas são aplicadas em uma ordem específica para criar um algoritmo quântico. No final do processo, os qubits são medidos para se obter a resposta.
Crédito da imagem: qiskit
Computação Quântica Adiabática
A computação adiabática usa um princípio fundamental da física: todo sistema busca o estado de energia mínima. Os problemas são formulados de modo que a solução seja o estado de energia mais baixa do sistema.
Recozimento Quântico
O recozimento quântico não é um esquema universal de computação quântica, mas opera com o mesmo princípio da computação quântica adiabática, com o sistema encontrando o estado de energia mínima de uma paisagem energética que você fornece.
Computação Quântica Topológica
Nesta abordagem, os qubits são feitos de uma entidade física chamada quasipartícula de modo zero de Majorana, um tipo de anyon não abeliano. Essas quasipartículas são mais estáveis devido à sua separação física.
Crédito da imagem Civils diário
Desafios na construção
Independentemente da abordagem, existem desafios comuns a serem enfrentados:
- Decoerência: É difícil controlar sistemas quânticos. Qualquer pequena interação com o ambiente causa perda de informações, ou decoerência. Os qubits são feitos de material físico, e eles interagem com tudo o que puderem. Eles precisam ser projetados com cuidado para proteger a integridade de seus estados.
- Ruído: É preciso proteger os qubits de qualquer tipo de ruído, como raios cósmicos, radiação, energia térmica ou partículas nocivas. Alguma decoerência e ruído são inevitáveis em qualquer sistema físico, sendo impossível eliminá-los por completo.
- Escalabilidade: Cada qubit exige vários fios para manipulação e medição. Com o aumento do número de qubits, a infraestrutura também cresce linearmente, o que representa um desafio de engenharia significativo. É preciso encontrar uma maneira eficiente de controlar, emaranhar e medir todos os qubits.
- Correção quântica de erros: A correção quântica de erros emprega muitos qubits emaranhados para criar um qubit livre de ruído. Isso requer um número considerável de qubits físicos para formar um único qubit tolerante a falhas.
Implementações Físicas
Há uma variedade de implementações físicas diferentes, pois existem muitos sistemas quânticos a partir dos quais é possível construir computadores quânticos. Aqui estão algumas das abordagens mais utilizadas e bem-sucedidas:
- Computadores quânticos supercondutores: Esta é atualmente a abordagem mais popular. Os qubits são feitos de fios supercondutores com uma interrupção chamada junção Josephson. O tipo mais popular de qubit supercondutor é o transmon.
- Computadores quânticos de pontos quânticos: Os qubits são feitos de elétrons ou grupos de elétrons. O sistema de dois níveis é codificado no spin ou carga dos elétrons. Esses qubits são construídos a partir de semicondutores, como o silício.
- Computação quântica óptica linear: computadores quânticos ópticos usam fótons de luz como qubits e operam esses qubits usando elementos ópticos, como espelhos, placas de onda e interferômetros.
- Computadores quânticos de íons presos: Átomos carregados são usados como qubits. O estado de dois níveis que codifica o qubit são níveis de energia específicos do átomo, que podem ser manipulados ou medidos com micro-ondas ou feixes de laser.
- Computadores quânticos Color Center ou Nitrogen Vacancy: Esses qubits são feitos de átomos embutidos em materiais, como nitrogênio em diamante ou carbeto de silício. Eles usam os spins nucleares dos átomos e são emaranhados com elétrons.
- Átomos Neutros em Redes Ópticas: Átomos neutros são capturados em uma rede óptica, que é uma matriz cruzada de feixes de laser. O sistema de dois níveis para os qubits pode ser o nível de energia hiperfino do átomo ou estados excitados.
Cada abordagem possui desafios únicos. A computação quântica está evoluindo rapidamente e escolher a abordagem certa é fundamental.
Aplicações de computadores quânticos
- Simulação Quântica: Computadores quânticos podem simular sistemas complexos, permitindo o estudo de reações químicas, o comportamento de elétrons em materiais e parâmetros físicos. Isso tem aplicações na melhoria de painéis solares, baterias, desenvolvimento de medicamentos e materiais aeroespaciais.
- Algoritmos Quânticos: Algoritmos como Shor e Grover resolvem problemas complexos que computadores clássicos têm dificuldade. Eles têm aplicações em criptografia, otimização de sistemas, aprendizado de máquina e IA.
- Cibersegurança: Computadores quânticos representam uma ameaça à criptografia clássica. Contudo, eles podem contribuir para a cibersegurança com o desenvolvimento de sistemas de criptografia quântica. A criptografia quântica também pode aumentar a segurança.
- Problemas de otimização: Computadores quânticos resolvem problemas complexos de otimização de forma mais eficiente, com aplicações no gerenciamento da cadeia de suprimentos e na modelagem financeira.
- Previsão do tempo e alterações climáticas: Embora não detalhado, computadores quânticos poderiam melhorar modelos de previsão do tempo e auxiliar no enfrentamento dos desafios relacionados às mudanças climáticas.
- Criptografia Quântica: A criptografia quântica usa princípios quânticos para aumentar a segurança da comunicação em um momento de crescentes ameaças cibernéticas.
É importante ter cuidado com exageros sobre o potencial dos computadores quânticos, principalmente por parte de empresas que buscam financiamento para construí-los.
Historicamente, quando uma nova tecnologia surge, as pessoas da época não preveem seus usos mais importantes. Por exemplo, os inventores dos primeiros computadores não imaginavam a Internet e o que ela se tornaria. É provável que o mesmo aconteça com os computadores quânticos.
Pensamentos finais
Os computadores quânticos melhoram a cada dia e, embora ainda não sejam usados em nosso cotidiano, eles têm potencial para aplicações práticas no futuro.
Neste artigo, foram explorados vários aspectos dos computadores quânticos, incluindo seus conceitos fundamentais (superposição, emaranhamento e interferência), algoritmos (Shor e Grover), teoria da complexidade quântica e modelos.
Também abordamos desafios práticos, questões de implementação e a ampla gama de aplicações potenciais para computadores quânticos.
Em seguida, você pode ler as perguntas frequentes sobre computação quântica.