O que é o computador quântico e como ele funciona?

A diferença fundamental entre a física clássica e a quântica. Do bit ao qubit. Os caminhos que se abrem e os problemas que surgem.

 

No dia 23/10, um artigo da revista Nature, uma das publicações científicas de maior prestígio, percebeu o que poderia ser um marco no campo da computação quântica. A informação dizia que o processador quântico do Google, chamado Sycamore, concluiu uma operação de cálculo em 200 segundos, o que o computador convencional mais rápido do mundo levaria cerca de 10.000 anos. O resultado obtido com o experimento permitiu aos pesquisadores do gigante informático afirmar que alcançaram a supremacia quântica, um conceito cunhado pelo físico americano John Preskill em 2012. Esse conceito argumenta que esse estado será atingido quando um sistema quântico realizar uma tarefa computacional que excede as que podem ser executadas com um computador clássico.

Após a publicidade do feito, a IBM, concorrente do Google nesse campo, saiu para diminuir o valor do anúncio para sustentar que não eram milhares de anos que levariam um sistema clássico para resolver a tarefa, mas dois dias e meio. No entanto, além da batalha comercial, poucos argumentam é que o mundo está diante de um novo limiar tecnológico.

Para tentar entender o que isso significa este marco e tentar descobrir o que é a computação quântica, este assunto complexo e ainda pouco conhecido, será tratado por uma das principais referências na área, Juan Pablo Paz, doutor em ciências físicas na UBA (Universidad de Buenos Aires), Professor e pesquisador sênior Conicet. Pesquisador da Argentina e mutipremiado, também é diretor do Grupo de Informações e Fundamentos Quânticos da Faculdade de Ciências Exatas; e co-responsável com Christian Schmiegelow do primeiro Laboratório de Íons e Átomos Frios (LIAF) na América Latina, aberto formalmente em julho passado com a presença do Prêmio Nobel de 2012 em física, David Wineland.

De computadores convencionais a computadores quânticos

Para começar a contextualizar onde começamos e para onde estamos indo, Paz explicou que ” computadores comuns são dispositivos que servem para armazenar e processar informações, representadas no estado de um objeto material em código binário (sequências de zeros e uns ). Por exemplo, nos discos rígidos do computador, o material magnético, que mirado com uma lupa são como grãos de pequenos ímãs como da geladeira, por convenção tem um pólo norte e um pólo sul. Se aponta para acima é um zero, para abaixo, é um. Estados binários usados ​​para representar informações. São os bits. Mas esses granitos magnéticos são grandes do ponto de vista dos átomos: têm cem bilhões de átomos e apenas dois estados possíveis “.

Em 1981, Richard Feynman , um físico brilhante e excêntrico que havia recebido o Prêmio Nobel de Física em 1965 “começou a fantasiar sobre a idéia de processar informações em escala atômica e a possibilidade de processar cálculos em um dispositivo que evolui seguindo as leis da física quântica “, disse Paz. Para que? Como explicado pelo especialista “na escala atômica, os átomos mostram certas características, uma dualidade entre o comportamento das ondas e das partículas, onde os elétrons às vezes se manifestam como partículas e outros como ondas deslocalizadas. Eles têm a propriedade de estar em mais de um local ao mesmo tempo, e percorrer várias trajetórias ao mesmo tempo. A idéia de Feynman era aproveitar esse recurso de desdobramento que não pode ser obtido em um computador comum, porque, de outra forma, nunca simularíamos as leis da natureza em que as partículas obedecem à física quântica e os problemas de cálculo aumentam exponencialmente “.

De bits a qubits

Mas para alcançar esse salto, o desafio foi projetar computadores que respondessem não às leis da física clássica, mas sim a quântica, onde os objetos podem estar em dois estados simultâneos . E esse passo foi dado dos bits aos qubits para armazenar, processar e transmitir as informações. Enquanto computadores clássicos armazenam informações em bits, seqüências de zeros e uns, que podem ter apenas dois estados possíveis, em computadores quânticos a unidade mínima de informação é o qubit (quantum bit). Um objeto quase esotérico que, cumprindo as leis da mecânica quântica, pode adotar os estados 0 ou 1, ou ambos ao mesmo tempo. Esse estado de sobreposição quântica aumenta a capacidade de processar informações, permitindo que vários caminhos sejam percorridos simultaneamente. Mas, além disso, tem outra propriedade estranha: o entrelaçamento quântico, que permite que os átomos se afetem, apesar de separados por grandes distâncias.

Átomos naturais vs átomos artificiais

Os computadores convencionais usam principalmente semicondutores de silício para seus circuitos integrados. Mas em que os equipamentos quânticos são baseados? A esse respeito, Paz disse que “existem diferentes tecnologias competindo no momento. Uma é a que o Google usa, outra que usamos no laboratório, que é a de átomos presos. É chamada de armadilha de íons e permite manipular átomos individuais”. E ele apontou que “uma virtude é que os átomos são todos iguais, mas prendê-los é mais difícil e os métodos de controle são complicados, embora muitos avanços tenham sido feitos”.

“Os computadores do Google e da IBM não usam átomos naturais, mas artificiais. São sistemas maiores que um átomo natural, mas têm propriedades semelhantes e se comportam de acordo com as leis da mecânica quântica. São pequenos anéis de material supercondutor, que é um material que, se resfriado o suficiente, deixa de ter resistência elétrica, na qual a corrente flui em uma direção ou outra. A direção no sentido horário representa um zero e no sentido anti-horário é um. A física desses dispositivos se comporta como em átomos verdadeiros. Eles podem existir nesses dois estados e se sobrepor. A diferença é que, para átomos naturais, é difícil estabilizar os dispositivos para capturá-los quando se trata de muitos átomos, que também precisam fazê-los interagir. Com os artificiais, a vantagem é que, para fabricá-los, você pode usar a indústria de microeletrônica que já existe e a ciência dos materiais muito desenvolvidos, e permitir que essa tecnologia veja a luz“.

O super chip

O chip do Google, o Sycamore , detalhou o físico argentino”, é uma grade de seis linhas por nove colunas, composta por 54 anéis, dos quais um não funcionou. Essa grade supercondutora é conectada entre si por pequenos guias de ondas, pequenas cavidades que transmitem luz, na faixa não visível. São microondas que viajam de um qubit para outro enviando informações e mudando de status conforme a necessidade de executar um programa. A engenhosidade humana conseguiu construir objetos maiores que átomos, formados por muitos átomos, que se comportam como um único átomo. Mas esses átomos artificiais, cuja fabricação é complexa, nem todos são exatamente iguais, como são os naturais. Ou seja, esses qubit terão certas diferenças, embora o problema tenha sido resolvido para os 54. É uma incógnita saber se ele pode ser escalado para atingir um computador de milhares de qubits . Há um passo gigantesco e não está claro que essa tecnologia sirva para isso “.

Um pequeno universo em uma caixa grande

Mas, apesar dos avanços, pensar em ter um computador quântico em cima da mesa parece um horizonte distante. Não apenas pelos custos, mas também pelo tamanho. Nesse ponto, a tecnologia quântica parece estar em uma situação semelhante à do início da computação eletrônica, quando os computadores ocupavam uma sala.

Enquanto o chip superveloz tem alguns centímetros, cerca de 3 por 3, com muitos conectores que saem nas laterais, que são os dispositivos de controle, no caso do processador quântico, tudo está dentro de um criostato “, uma garrafa térmica grande de três metros por três, porque precisa ser resfriado a temperaturas próximas ao zero absoluto (-273,15 ° C)”. No entanto, sua conquista não é nada minúscula. “Este computador do Google é experimental, mas é o primeiro totalmente programável que pode executar qualquer cálculo. Embora, com 54 qubits, ainda seja pequeno”, disse Paz.

Um mundo estranho e nada de afeito para ser  olhado

“O principal problema que afeta os computadores quânticos é sua extrema fragilidade diante da interação com qualquer objeto externo. Um qubit pode ser zero, pode ser um, e se você não o medir, pode ser zero e um de cada vez. Mas se algo está interagindo com o computador quântico, é como se estivesse medindo e definindo um estado. Para que as sobreposições quânticas sejam duráveis, o que é necessário para fazer uma computação quântica, ela deve ser extremamente isolada do exterior. E esta é a base do porquê 54 qubits foram criados e não 54 mil, porque é muito difícil fazer com que um objeto de alguns centímetros se comporte como previsto pela mecânica quântica. Na escala em que vivemos, quando você joga uma bola e ela atinge outra pessoa, o que vemos é uma trajetória, um caminho. No mundo quântico, um elétron, que seria a nossa bola, teria percorrido muitos caminhos ao mesmo tempo para chegar. É algo que parece impossível e é anti-intuitivo, mas é assim que funciona. “

Ruído e erros

As interações mínimas com o exterior geram uma evolução no processo quântico, que pode ser considerado um erro. E enquanto nos computadores tradicionais também há ruído na transmissão de dados, há protocolos de redundância para corrigir e proteger as informações, o fenômeno é mais crítico no mundo quântico. Nesse campo, a teoria quântica da correção de erros, trabalhou Paz, que observou que “o quantum é muito mais difícil e, de fato, pensava-se há muito tempo que isso não era possível. No caso quântico, quando você está enviando algo que não é nem um ‘zero’ nem um ‘um, um qubit, você não pode ‘olhar para ele’ porque está destruindo e transformando em algo diferente. O desenvolvimento de teorias de correção é muito avançado e tudo sugere que o próximo experimento do Google será implementar um algoritmo que use esses protocolos de proteção contra erros quânticos “.

Isso aborda outra área na qual Paz e sua equipe investigam, a transição entre o comportamento quântico e o clássico, para “entender como essas sobreposições são perdidas quando o objeto interage com o ambiente, um processo chamado decoerência, que determina como coisas que são zero e um se tornam zero ou um. “

Um pequeno passo para a máquina, mas um grande salto para a tecnologia

“Até agora, os computadores quânticos existentes eram menores que esse de 54 qubits e não eram completamente programáveis. Há uma IBM com cinco qubits aos quais se pode conectar e operar à distância. Qualquer um desses poderia fazer  coisas que se consegue simular em um computador comum para obter o mesmo resultado. Portanto, na comunidade científica, o resultado do experimento do Google é visto com grande respeito e considerado muito significativo “, disse o diretor do Quantum Group.

Para o especialista, o que vem a seguir é o desafio de desenvolver computadores maiores, com centenas de bits quânticos, para que sejam úteis do ponto de vista das disciplinas científicas e da engenharia de materiais. Tanto para estudar as propriedades dos sistemas naturais, de interesse para a física, química e engenharia, ou criptografia, que envolve a fatoração de grandes números, é necessário um maior poder computacional. Neste último campo, o que é jogado é a segurança do computador. Um computador quântico pode facilmente violar algoritmos de criptografia de chave pública, cuja operação é baseada no produto de dois números primos muito grandes, escolhidos aleatoriamente para formar a chave de descriptografia, e é por isso que existem muitos pesquisadores trabalhando no que é conhecido como criptografia pós-quântica. Para Paz, “há realmente uma mudança de paradigma”. É uma “corrida em que grandes investidores corporativos entraram para jogar há cinco anos”.

Um pavilhão quântico

Embora o desenvolvimento seja embrionário, na Faculdade de Ciências Exatas da UBA, no primeiro andar do Pavilhão 1 da Cidade Universitária, opera o LIAF, fundado por Paz e Schmiegelow. “Conseguimos construir um laboratório do qual nos orgulhamos, embora a experiência de trabalhar nos últimos quatro anos com zero apoio não tenha sido fácil”, afirmou o pesquisador. Lá, eles conseguiram prender íons individuais em uma câmara de vácuo, uma conquista na América Latina.

Fonte: Página 12

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