Computação quântica: significado, vantagens e mais

Quantum computação é a aplicação de princípios da mecânica quântica na execução de cálculos. Os fenômenos básicos aqui empregados são emaranhamento e a sobreposição.

Enquanto quântico computação é uma palavra da moda relativamente nova, a mecânica quântica existe há muito mais tempo. Foi responsável por grandes desenvolvimentos na indústria eletrônica e também oferece respostas para muitos dos mistérios da humanidade.

A mecânica quântica se concentra em como os átomos e as partículas subatômicas funcionam, enquanto a palavra quântica se refere à menor partícula com a qual se pode trabalhar. Esse é o bloco de construção mais básico de qualquer objeto físico.

De Max Planck a Albert Einstein, Neils Bohr e Erwin Schrödinger, muitos grandes cientistas estiveram envolvidos no desenvolvimento da mecânica quântica e sua eventual culminação na corrida da computação quântica – uma das maiores corridas tecnológicas do nosso tempo.

Este post leva você ao mundo mágico dos fenômenos quânticos, mostra como fazer um computador a partir dele e explora seus campos relacionados.

Ação assustadora à distância

Os fenômenos quânticos desafiam a compreensão convencional e funcionam em termos completamente diferentes da física clássica. Assim, na década de 1930, Einstein usou as palavras “ação assustadora à distância” para descrever o fenômeno do emaranhamento quântico e como ele não se encaixa na ciência convencional.

O emaranhamento quântico não é novidade. Se você criar duas partículas no mesmo lugar e instante, elas ficarão emaranhadas. Ou seja, o que quer que aconteça com um, afeta o outro.

É como se apaixonar e receber uma ligação sempre que você pensa em seu amante. Ou fazer uma ligação e ouvir “Eu estava prestes a ligar para você”. Gêmeos idênticos também são conhecidos por adoecer ao mesmo tempo.

A parte mais assustadora do emaranhamento quântico é que você pode levar uma das partículas emaranhadas para longe. E quaisquer que sejam as condições a que você a submeta afetará a segunda partícula instantaneamente, mesmo a meia galáxia de distância.

Os computadores quânticos empregam essa propriedade para armazenar grandes quantidades de informações em várias partículas de uma só vez. Essas partículas são chamadas de qubits ou bits quânticos, mas primeiro, uma olhada no segundo fenômeno da mecânica quântica.

Erwin Schrödinger e seu gato

Outro pesquisador quântico inicial foi o físico austríaco Erwin Schrödinger, que, como Albert Einstein, também achou ridículas partes dos fenômenos quânticos. Então, ele criou o agora famoso experimento mental chamado “gato de Schrödinger” para visualizar o paradoxo da superposição quântica.

Este experimento afirma que se você colocar um gato e algo que possa matar o gato em uma caixa e selar. Você não saberia se o gato estava vivo ou morto até abrir a caixa. Então, logicamente, o gato estava morto e vivo até você abrir a caixa.

A superposição é o segundo fenômeno que torna a computação quântica possível. Enquanto os computadores clássicos trabalham com bits de informação que podem representar 1 ou 0 a qualquer momento, os computadores quânticos trabalham com qubits (bits quânticos) que podem representar 0 e 1 ao mesmo tempo, assim como o gato que estava morto e vivo.

Aqui está um olhar mais atento aos qubits.

O Bit vs O Qubit

O qubit é o que torna a computação quântica possível. Também conhecido como bit quântico ou qbit, um qubit é a menor unidade de energia que você pode manipular para salvar e recuperar informações.

Um bit de computador normal só pode ser 0 ou 1 a qualquer momento. Enquanto um bit quântico pode ser ambos ao mesmo tempo. Dois bits regulares, portanto, podem conter 00, 01, 10 e 11 a qualquer momento. Mas dois bits quânticos podem conter todos os quatro estados ao mesmo tempo. Isso significa ciclos de computação 4x mais rápidos.

Com 3 bits regulares, você pode obter 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 e 111 a qualquer momento. Mas 3 qubits manterão todos os oito estados ao mesmo tempo, oferecendo ciclos de computação 8x mais rápidos. Como você pode ver, essa relação é exponencial, então cada bit adicional dobra a quantidade de informação disponível.

Então, com 5 qubits, você está olhando para 32 estados simultâneos, com 10 qubits são mais de 1,000 estados e em 20 qubits, mais de um milhão. Agora, considere quantos estados o Computadores quânticos de 1,000 qubits que a IBM e o Google estão desenvolvendo podem conter simultaneamente.

Você pode fazer qubits de fótons, elétrons, núcleos atômicos, pontos quânticos, supercondutorese outras implementações. O objetivo é criar uma coleção estável de bits quânticos de energia que você pode definir e medir convenientemente à vontade.

Vantagens da computação quântica

A principal vantagem da computação quântica são os resultados instantâneos de problemas complexos. Isto ocorre principalmente em situações em que você precisa escolher a resposta certa entre muitas possibilidades. E isso os torna ótimos para fatoração de números, simulações em larga escala e reconhecimento de padrões em inteligência artificial.

A abordagem padrão para computadores clássicos é investigar cada possibilidade até encontrar o que está procurando. Muitas vezes chamado de agulha no palheiro, a quantidade de tempo que essa operação levará depende de quanto feno ou registros você precisa peneirar. E em quão rápido sua máquina é.

Os supercomputadores facilitam esses problemas aumentando a velocidade de verificação de cada possibilidade. Os computadores quânticos, por outro lado, podem gerar todas as possibilidades simultaneamente, se houver qubits suficientes disponíveis. É por isso que eles podem calcular problemas em poucas horas que os computadores comuns levarão centenas a milhares de anos para computar.

Problemas e limitações da computação quântica

Embora você possa medir facilmente bits em um computador clássico, medir um qubit destrói seu estado e o de seus qubits emaranhados.

Além disso, os bits clássicos são feitos de uma ampla variedade de materiais semicondutores que apenas precisam manter uma carga (1) ou não (0). Qubits são, no entanto, muito mais complexos e difíceis de implementar. E além de isolar espacialmente um qubit, você precisa protegê-lo de interferências ambientais, como temperatura e flutuações eletrostáticas. Porque essas pequenas mudanças ambientais também corromperão esses estados.

Essa perda de emaranhamento ou equilíbrio do sistema é chamada de decoerência quântica e é o principal problema que a maioria dos pesquisadores está tentando resolver. É tão grave que a próxima máquina de 1,000 qubits do Google precisará de até 1,000 qubits para correção de erros de cada qubit. Assim, tornando-se uma máquina de 1 milhão de qubits.

Isso também significa que você não pode lidar atualmente com um computador quântico como faria com um laptop ou smartphone. O computador precisa de condições de laboratório para manter um nível seguro de estabilidade para seus qubits.

Outra desvantagem é o alcance limitado da chamada supremacia quântica, pois nem todo problema de computação envolve grandes volumes de números ou possibilidades. Portanto, o impulso computacional na maioria das outras operações é insignificante demais para justificar uma abordagem de computação quântica. E, a menos que os computadores quânticos acabem mais baratos que os computadores clássicos, eles também não os substituirão tão cedo.

Apesar de todas essas desvantagens, os computadores quânticos e seus qubits têm muito potencial na indústria de computadores devido aos grandes números que podem manipular com facilidade.

Existem perigos com a computação quântica?

Sim. Muito bom cabouqueiro sabe que toda tecnologia tem uma lacuna. Você apenas precisa achar isto. Portanto, independentemente das implementações reais de computadores quânticos no futuro, ainda haverá problemas com a tecnologia. E atores prontos para capitalizá-los.

Este cenário refere-se a usos como bancos, financiar, governo e atividades públicas semelhantes. Um segundo cenário é quando um ator malicioso emprega o incrível poder de um bom computador quântico para realizar uma façanha. E como sempre, as pessoas só tomarão consciência de tal possibilidade depois que a ação for realizada.

A computação quântica se dá bem com números. Portanto, algoritmos de criptografia assimétrica que usam fatoração, como o RSA de chave pública, não são seguros. Hashing e criptografia simétrica, como AES-256 e 512, bem como SHA-256 e 512, por outro lado, são relativamente seguros.

Outras aplicações da mecânica quântica

Por mais emocionante que seja o mundo da computação quântica, ainda é apenas uma parte da mecânica quântica. Então, em outras palavras, a festa quântica está apenas começando.

A mecânica quântica tem sido fundamental no desenvolvimento de semicondutores e eletrônicos modernos. O trabalho também está em andamento para redes quânticas e criptografia, como a suíça pioneiro da criptografia quântica ID Quantique. Além disso, os fenômenos quânticos também se mostraram promissores em vários campos de pesquisa, incluindo fotossíntese, receptores de cheiro e até nossa compreensão do tempo.

Computadores quânticos do mundo real

Existem muitos computadores quânticos e aplicativos semelhantes por aí. Eles vêm de grandes multinacionais como Google e IBM, bem como governos, e até de players menores como Rigetti.

A computação quântica é atualmente uma das áreas de pesquisa mais quentes do planeta. Portanto, provavelmente existem mais programas secretos por aí do que você pode imaginar. Abaixo alguns dos principais projetos:

• Google possui máquinas de 54 qubit e 72 qubit
• A IBM possui mais de 30 máquinas espalhadas pelo mundo, incluindo a Manhattan de 65 qubits
• A China é o lar de muitos computadores quânticos, incluindo uma máquina de 76 qubits e até comunicação por satélite quântico.
• A máquina de 54 qubits com Sycamore do Google gastou apenas 200 segundos para calcular o que os supercomputadores precisariam de 10,000 anos para computar.
• IBM está desenvolvendo uma máquina de 1,000 qubits até 2023
• A Rigetti Computing possui quatro, incluindo uma máquina de 31 qubits
• O Google está construindo um novo centro quântico para criar um computador de 1,000 qubits até 2029. Considerando a correção de erros, o total de qubits desse computador pode chegar a 1 milhão.

Conclusão

Os computadores quânticos vieram para ficar. Como eles criarão muitas oportunidades e resolverão problemas do mundo real com os quais os computadores clássicos lutaram por décadas.

No entanto, ainda há muito trabalho a ser feito e desafios a serem superados antes de chegarmos lá. E até lá, a China pode surpreender o mundo.