Computador quântico

Física

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O computador quântico é um dispositivo programável capaz de realizar cálculos e algoritmos por meio da manipulação e leitura de informações armazenadas em sistemas quânticos, como átomos, moléculas, prótons, elétrons e fótons. Nesse tipo de computador, utilizam-se bits quânticos, que por conta de sua natureza, fazem com que esse tipo de computador seja capaz de realizar tarefas que levariam milhares, ou até mesmo milhões de anos para serem feitas pelos computadores eletrônicos.

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Como funciona o computador quântico?

Os computadores quânticos são completamente diferentes dos computadores comuns, que são baseados na passagem de corrente elétrica através de pequenos dispositivos semicondutores, chamados de transistores. Já esse novo tipo de computador pode funcionar a partir dos mais diversos sistemas quânticos, no entanto, as implementações mais populares fazem a leitura do spin, uma propriedade quântica presente em partículas, como prótons, fótons e elétrons.

A lógica por trás do computador quântico também é um pouco diferente daquela que é usada nos computadores clássicos, que operam por meio de sentenças lógicas cujos resultados possíveis são somente os números 0 e 1.

A diferença entre os computadores eletrônicos e os quânticos é que, devido à natureza probabilística da física quântica, antes de fazermos a leitura do bit quântico, o seu estado pode ser não apenas 0 ou 1, mas também a interseção entre esses estados. É como se nos computadores quânticos fossem admitidas respostas como sim, não e os dois simultaneamente. Se quiser compreender melhor sobre as probabilidades do mundo quântico, acesse o nosso texto sobre o princípio da incerteza de Heisenberg.

Processador quântico de 53 qubits, desenvolvido pela Google em 2019. [1]
Processador quântico de 53 qubits, desenvolvido pela Google em 2019. [1]

A estranha propriedade que torna os computadores quânticos tão especiais é chamada de colapso da função de onda. Todos os sistemas quânticos são descritos completamente por uma respectiva função de onda, porém antes de observarmos um sistema quântico, em busca de alguma de suas grandezas físicas que possam ser medidas (massa, carga elétrica, campo magnético, por exemplo), a função de onda pode admitir mais de um valor para cada uma dessas grandezas e existem probabilidades de que se meça cada um desses valores.

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Você deve estar se perguntando – qual é a vantagem em não sabermos previamente os possíveis valores de uma medida quântica? A resposta é: antes de fazer algum cálculo, por exemplo, a natureza dos bits quânticos garantiu que a resposta correta estivesse entre as possibilidades.  Em outras palavras, podemos dizer que o computador já havia considerado muitos resultados, mesmo antes de obter a resposta do cálculo. Isso faz com que o tempo computacional que é gasto na resolução de problemas complexos, seja drasticamente reduzido.

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Possibilidades do computador quântico

Mas afinal de contas, o que poderíamos fazer com um computador quântico? Muito provavelmente, os computadores quânticos não serão usados para fins banais como navegar na internet ou assistir a um vídeo, uma vez que, para esses fins, os computadores eletrônicos são bastante eficientes, além de serem muito mais baratos que os computadores quânticos.

No entanto, quando falamos de cálculos complexos, como aqueles que envolvem a criptografia de senhas bancárias, o uso dos computadores quânticos será de grande ajuda. Se formos capazes de tornar os computadores quânticos dispositivos plenamente funcionais, seremos capazes de simular coisas que jamais pensamos ser possíveis, como a dinâmica climática da Terra, a formação de galáxias, simulações de sistemas vivos, e muitas outras possibilidades.

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Qubits – os bits quânticos

Os bits quânticos são geralmente chamados de qubits (quantum bits). Esses qubits representam um enorme salto em relação aos bits utilizados pelos computadores eletrônicos: eles podem apresentar os estados 0 e 1, simultaneamente. Na prática, é como se a capacidade do computador quântico fosse exponencial em relação ao número de bits: um computador de 1 bit quântico equivale a um computador eletrônico de 2 bits clássicos e um computador de 2 bits quânticos equivale a um computador de 4 bits eletrônicos. Confira a seguir uma tabela que relaciona a capacidade de bits quânticos à sua correspondência com os bits clássicos:

Quantidade de bits quânticos

Correspondência em bits clássicos

1 qubit

2 bits

2 qubits

4 bits

10 qubits

1024 bits

20 qubits

1048576 bits

64 qubits

1,84.1019 bits

512 qubits

1,34.10154 bits


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Processador quântico de 2019

Recentemente, pesquisadores do Google afirmaram ter atingido a “supremacia quântica”, isso porque foram capazes de realizar, em 200 segundos, um cálculo que o computador mais avançado do mundo, o Summit, da IBM, levaria cerca de 10 mil anos. O experimento realizado pelos pesquisadores utilizou 53 qubits, correspondentes a cerca de 1016 bits clássicos, para manter o processador quântico em pleno funcionamento, o computador foi mantido em temperaturas baixíssimas, cerca de 20 mK (0,02 K).

Os resultados obtidos pelo experimento sugerem que o conceito por trás da máquina de Turing, que teoricamente é universal e capaz de simular qualquer modelo computacional, possa estar errado. Isso porque, computadores clássicos, baseados no conjunto teórico de Turing, não são capazes de realizar as tarefas feitas pelo processador quântico, pelo menos não com a mesma velocidade e tampouco, com a mesma precisão.

Crédito de imagem
[1] Nature


Por Rafael Helerbrock
Professor de Física

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

HELERBROCK, Rafael. "Computador quântico"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/computacao-quantica.htm. Acesso em 07 de julho de 2020.