O que é computação quântica?

O que é?

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Computação quântica é a ciência que estuda o desenvolvimento de algoritmos e softwares com base em informações que são processadas por sistemas quânticos, como átomos, fótons ou partículas subatômicas. Diferentemente dos computadores clássicos, os computadores quânticos operam de acordo com as leis probabilísticas da física quântica.

As possibilidades propiciadas pela computação quântica abrem um novo horizonte para o desenvolvimento tecnológico e nos permitem vislumbrar um futuro com computadores capazes de resolver tarefas mais complexas em tempos cada vez menores.

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O que é um computador quântico?

O computador quântico é uma máquina que pode ser programada para resolver problemas lógicos, assim como fazem os computadores eletrônicos atuais. Enquanto os nossos computadores usam a corrente elétrica que atravessa os transistores para emular os bits 1 e 0, os computadores quânticos fazem-no baseando-se em medidas quânticas, como os níveis de energia de um agrupamento de átomos, as direções de polarização de fótons etc.

IBM Q, o computador quântico de 20 qubits da IBM, apresentado em janeiro de 2019.
IBM Q, o computador quântico de 20 qubits da IBM, apresentado em janeiro de 2019.

Como funciona a computação quântica?

A computação quântica baseia-se no desenvolvimento de algoritmos lógicos que podem ser executados por um tipo de computador diferente do computador convencional. Os computadores quânticos são máquinas de extrema complexidade e que dependem de um equilíbrio térmico muito delicado. A maior parte desses computadores só pode operar em temperaturas muito baixas, por isso eles são refrigerados em cerca de -272 °C, por meio de nitrogênio ou hélio líquido.

Isso acontece porque os bits quânticos (também chamados de qubits) precisam estar em “sintonia” a todo instante (tecnicamente, dizemos que precisam estar em fase), e qualquer variação brusca de temperatura pode “embaralhá-los”.

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A computação clássica é feita por meio de circuitos que registram e controlam a passagem da corrente elétrica. Grosso modo, quando se detecta ou não a passagem da corrente elétrica, o computador registra essa informação na forma de um bit, que pode ser 0 ou 1. Todas as tarefas executadas pelos computadores funcionam a partir da manipulação desses bits.

Nos computadores quânticos, por sua vez, a informação é obtida a partir de outras coisas, como a direção do spin de um átomo, a polarização de um fóton, os níveis de energia de um aglomerado de átomos etc. Apesar de diferentes entre si, esses sistemas têm uma coisa em comum: são regidos pelas leis da física quântica.

Para desenvolvermos uma compreensão mais profunda acerca dos computadores quânticos, precisamos conhecer um pouco das estranhezas da mecânica quântica, vamos lá?

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A computação e a mecânica quântica

As leis que regem o comportamento dos bits quânticos são completamente diferentes daquelas da física clássica.

De acordo com a física clássica, antes de abrir uma caixa que contém uma lâmpada, são esperados apenas dois resultados: a lâmpada estará acesa ou apagada. Todavia, segundo as leis da mecânica quântica, não se pode afirmar o estado da lâmpada sem ter observado diretamente.

Se assumíssemos que a lâmpada em questão é um objeto quântico, antes de abrirmos a caixa, o estado da lâmpada seria uma combinação de todas as possibilidades. No momento em que a caixa fosse aberta, todas as combinações de estados desapareceriam e a lâmpada assumiria somente uma das configurações possíveis: acesa ou apagada. É como se a condição de ignorância sobre o que há dentro da caixa fizesse com que a lâmpada estivesse acesa e apagada ao mesmo tempo, mas o que faz a natureza escolher um dos estados? Não sabemos.

Essa característica da mecânica quântica permite que os qubits assumam todos os estados possíveis antes de serem observados. Na prática, os qubits consideram o resultado de uma operação antes mesmo de ela ter sido finalizada, é como se pudéssemos saber o resultado de um jogo de cara ou coroa quando a moeda ainda estivesse no ar.

As possibilidades da computação quântica oferecem um imenso ganho computacional, uma vez que cada qubit equivale a 2 bits clássicos, por esse motivo, um computador quântico que opera com 64 bits equivale a um computador clássico equipado com 264 bits (cerca de 1,8.1019 bits). Os números somente reforçam que a computação quântica é uma grande aposta para o futuro.

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A computação quântica na atualidade

Nos últimos anos, os avanços tecnológicos permitiram a criação dos primeiros processadores quânticos funcionais. Desde então, o avanço na construção dos chips quânticos vem acontecendo em ritmo acelerado, em parte devido a um grande interesse comercial dos setores de segurança, criptomoedas, bancos, universidades e outros.

Grandes empresas da computação, como a Google e a IBM, têm produzido computadores quânticos cada vez mais potentes. O lançamento mais recente é o computador quântico do Google, que conta com “apenas” 53 qubits. Esse computador foi capaz de realizar em minutos um cálculo que o computador mais veloz do mundo realizaria em, pelo menos, 10 mil anos.

 

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física

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HELERBROCK, Rafael. "O que é computação quântica?"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-computacao-quantica.htm. Acesso em 07 de julho de 2020.