O que são computadores quânticos?

Escrito por lee johnson Google | Traduzido por lean pereira
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O que são computadores quânticos?
David Wineland ganhou o Prêmio Nobel de 2012 em Física por seu trabalho no aprisionamento de íons, que pode se prover de extrema importância aos computadores quânticos (getty images)

"Você terá um computador puramente quântico em cinco anos? Não — o que você terá são elementos surgindo que sempre terão algo que ver com a tecnologia. Da mesma forma que você possui uma placa de vídeo trabalhando em conjunto com um processador principal em um computador moderno, você verá alguns elementos sendo adicionados; as pessoas encontrarão uma forma de usar a computação quântica e as técnicas quânticas, e é assim que penso que seguiremos adiante. E isso posso, de fato, esperar ver daqui a um período de cinco anos."

— Professor Alan Woodward, Universidade de Surrey

Os dias dos computadores tradicionais podem estar contados. A Lei de Moore afirma que o número de transistores (componentes no computador que processam informações) em uma CPU disponível comercialmente dobrará a cada dois anos. Isso parece bom a principio, mas à medida em que as empresas tentam espremer mais e mais transistores em uma CPU, problemas começam a surgir. Chips produzidos pela Pentium atualmente foram reduzidos a uma extensão de meros 20 átomos, e quando este número se reduzir a cinco, haverão sérios problemas. Como o físico teórico Michio Kaku diz, "o poder computacional não pode simplesmente manter seu crescimento exponencial com a tecnologia padrão de silício". Algo novo precisa surgir em seu lugar, e este algo pode bem ser os computadores quânticos.

Emaranhamentos e superposições

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David Wineland ganhou o Prêmio Nobel de 2012 em Física por seu trabalho no aprisionamento de íons, que pode se prover de extrema importância aos computadores quânticos (Dana Romanoff/Getty Images News/Getty Images)

À medida em que você chega ao nível atômico, um novo grupo de leis começa a tomar parte, essas leis já começam a apresentar problemas aos fabricantes de computadores. Para compreender o básico dos computadores quânticos, você deve entender alguns fenômenos incomuns da mecânica quântica. Esse é o mundo atômico; um mundo no qual você dificilmente poderá dizer onde qualquer coisa está e onde um elétron pode girar em duas direções de forma simultânea. Parece não ter sentido algum? O computador que você está usando para ler este artigo está baseado nestas mesmas leis da mecânica quântica. Em outras palavras, as aplicações são muito reais.

As duas ideias mais importantes que você deve compreender são entrelaçamento e superposições. Elétrons, que orbitam os núcleos dos átomos, possuem uma propriedade chamada spin, significando que podem girar para cima (up) ou para baixo (down). Eles também vêm em pares, e estes giram em direções opostas. Sem uma observação próxima, é impossível saber em qual direção um dos elétrons do par está girando. A interpretação pela ótica da mecânica quântica diz que o elétron está em uma superposição de tanto spins up quanto down até que comecemos a observá-lo, o que faz com que ele assuma um estado único.

Os pares em si mesmos estão entrelaçados, significando que, se um está girando para cima, o outro está para baixo, e vice-versa. De forma simples, se você possui dois elétrons em um par, ambos existem em superposição de giros tanto para cima quanto para baixo até que você passe a observar um deles. Nesse ponto, o elétron observado se volta a um estado (up, por exemplo) e seu parceiro entrelaçado toma o estado oposto (down). Einstein chamou esse evento de "ação assustadora à distância". Superposições e o efeito de nossa observação não são fáceis de compreender, mas são essenciais para a computação quântica.

Bits e qubits

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Um computador com 30 qubits realiza um trabalho relativo a dez teraflops por segundo nos processadores atuais (Hemera Technologies/AbleStock.com/Getty Images)

Computadores comuns trabalham com base em "bits", que são posições de "ligado" e "desligado" representadas por uns e zeros (números binários). Por causa das superposições, um computador quântico, feito de objetos quânticos como elétrons, fótons e átomos, pode ser formado por bits que assumem um e zero de forma simultânea. Estes novos bits são chamados "qubits", ou bits quânticos. Em um sistema binário de três bits, um computador clássico pode representar qualquer número zero a sete em qualquer período de tempo. Três qubits, no entanto, em estados superpostos, podem representar todos os números possíveis ao mesmo tempo.

Superposições significam, essencialmente, que os qubits podem realizar numerosos cálculos de forma simultânea, ao invés de realizar uma por vez, como nos computadores tradicionais. Isso significa que um computador com 30 qubits seria equivalente a um computador comum trabalhando a dez teraflops por segundo. Esta é simplesmente uma medida de processamento de velocidades, e tudo o que você deve saber para entender o vasto aumento no poder de processamento que os computadores quânticos podem trazer é que nossos computadores atuais são medidos em gigaflops por segundo.

Desafios práticos

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O entrelaçamento pode apresentar uma solução, mas ainda está longe de ser colocado em prática de forma ampla (Thinkstock Images/Comstock/Getty Images)

Há alguns problemas práticos restritivos na fabricação de computadores quânticos, mas eles ainda têm sido produzidos em maiores e maiores tamanhos. Os problemas surgem não apenas em lidar com objetos quânticos, mas também com o fato de que agem de forma diferente quando são observados. Essa é uma ideia bastante confusa, mas uma superposição colapsa a um estado ordinário caso você a observe — dessa forma, um qubit se tornaria essencialmente um bit normal caso fosse observado. Isso representa um problema óbvio em criar computadores quânticos funcionais, já que o mero ato de observação poderia torná-los em computadores comuns.

Entretanto, o entrelaçamento oferece a solução. As partículas estão emparelhadas, e a observação de uma lhe dá informações a respeito da outra mesmo sem observá-la. Através da criação de pares de átomos, os cientistas basicamente transmitem a informação de um ao outro, o que permite o intercâmbio da informação necessária para a computação, sem nem mesmo observar diretamente o sistema e, assim, sem torná-lo um computador comum. Embora o entrelaçamento possa apresentar uma solução, está longe de ser colocado em prática a uma escala significativa. Scott Aaronson, do Massachusetts Institute of Technology, afirma não ter pressa, já que "se passaram mais de 100 anos entre Charles Babbage e a invenção do transistor, então sinto que, se pudermos vencê-los, estaremos em vantagem".

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