Como funcionam os computadores quânticos?

O artigo publicado em 23 de outubro de 2019 pela revista Nature representa um marco na história da computação: a equipe da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, liderada por John Martinis, anunciou ter superado, com seu próprio computador quântico, a capacidade computacional dos maiores supercomputadores do mundo.

O grupo patrocinado pela Google relata como seu dispositivo resolveu em 200 segundos um problema aritmético para que um computador convencional necessitaria 10 mil anos. A IBM contradisse essa afirmação, ressalvando que seu supercomputador Summit, o maior do mundo, poderia ter realizado a façanha em dois dias e meio. Ainda assim, o computador de Martinis e equipe é mais veloz.

A seguir, alguns aspectos dessa tecnologia visionária.

Bits, qubits e o gato de Schrödinger

O atual mundo computacional é digital, consistindo em dígitos binários, ou bits. Na prática, eles podem ter o valor de 0 ou 1, correspondendo aos dois estados da carga eletrônica dos transistores e chips. O mundo da física quântica é muito mais complicado: os bits quânticos, ou qubits, não só podem assumir 0 e 1 simultaneamente, como também todos os estados intermediários.

Uma moeda lançada oferece uma ilustração aproximada: enquanto com o bit digital ela pode ser cara ou coroa – ou 0 ou 1 –, o qubit é como se ela ainda estivesse girando sobre a mesa, portanto seu estado só se decidirá quando tombar.

Esse paradoxo foi descrito em 1935 por Erwin Schrödinger, usando o exemplo de um gato preso numa caixa com uma substância radioativa letal. Do lado de fora, não há como saber se ele está vivo ou morto, portanto mantém os dois estados simultaneamente: só ao se abrir a caixa ele assumirá um estado fixo. Na física, isso acontece ao se realizar uma medição, dando fim ao estado quântico.

Entrelaçamento quântico

Não há como compreender o entrelaçamento quântico empregando a lógica física convencional. Albert Einstein o descreveu como "ação fantasmagórica à distância". É quando os estados de dois sistemas quânticos (como qubits) são correlacionados – eles têm o mesmo estado –, mas só enquanto não sejam determinados.

No modelo anterior, é como ter duas moedas girando ao mesmo tempo e, não importa a distância que as separe, elas assumem sempre o mesmo estado. Esse entrelaçamento quântico se desfaz no momento em que uma delas cai, fixando seu estado. O mesmo se aplica ao gato de Schrödinger: entre duas caixas com dois gatos, pode haver um entrelaçamento quântico – mas só enquanto nenhuma das duas tiver sido aberta.

Potência computacional exponencialmente crescente

Como qubits podem assumir diversos estados ao mesmo tempo, eles são também capazes de desempenhar mais operações aritméticas do que os bits convencionais.

Teoricamente, a potência dos computadores quânticos cresce exponencialmente com a quantidade de qubits. Como a curva de crescimento é cada vez mais íngreme, bastaria incrementar ligeiramente o número dos qubits para que o poder computacional aumente rapidamente.

No entanto a prática é diferente, pois é necessário preencher uma série de condições para que o sistema funcione: a margem de erro deve ser mínima; o entrelaçamento quântico entre os qubits tem que funcionar perfeitamente, senão mesmo as menores irregularidades de funcionamento causam o colapso da potência computacional.

Portanto o desafio para os engenheiros é não só incluir cada vez mais qubits nos chips, mas também manter a precisão. A Google desenvolveu, para esse fim, um processo próprio de correção de erros com uma acuidade de 99,99%.

O "lustre"

À primeira vista, o computador quântico lembra um lustre gigante feito de tubos de cobres e cabos. É também assim que os especialistas chamam a estrutura: "lustre". Seu núcleo contém um chip supercondutor em que os qubits se dispõem como num tabuleiro de xadrez. O computador quântico da Google tem 54 qubits, embora um deles não tenha funcionado.

Os qubits são capacitores mínimos feitos de nióbio, um elemento químico tão duro quanto o titânio. Quando se faz suas cargas oscilarem, eles não têm estados fixos, semelhante às moedas que giram. Entre eles estão acopladores ajustáveis, consistindo de ressonadores, pequenas antenas que reagem a micro-ondas.

O chip supercondutor está localizado num campo eletromagnético de micro-ondas, que opera a temperaturas próximas do zero absoluto. No computador quântico da IBM, por exemplo, ela é de -273,135ºC, só sendo alcançada imergindo-se todo o "lustre" num tanque de hélio líquido.

Compatibilidade com sistemas operacionais?

O software dos computadores quânticos não pode ser, em absoluto, comparado aos digitais binários. Para testar o desempenho de seus protótipos, a Google desenvolveu um complicado problema matemático envolvendo números aleatórios, com o fim de exigir capacidades computacionais cada vez mais complexas e abrangentes. Um aparelho convencional teria logo ficado sobrecarregado.

Visionários esperam que os dispositivos quânticos sejam um dia capazes de decifrar as codificações criptográficas mais complexas. Eles poderiam também realizar simulações melhores, ser a base de sistemas de controle de tráfico e de outras aplicações envolvendo big data.

Entretanto, tudo isso é mais ficção do que ciência. No momento, ainda não está à vista a possibilidade de os computadores quânticos existentes assumirem qualquer das tarefas úteis que os supercomputadores já desempenham.

Pesquisa básica

Atualmente, a pesquisa se encontra no ponto em que os especialistas estão mostrando que o princípio funciona. Fazendo-se uma analogia entre o desenvolvimento dos computadores quânticos e o dos aviões, este seria o momento em que os Irmãos Wright experimentavam com um planador de fabricação própria – ainda se está muito longe de um jato de passageiros.

Não está provado, por exemplo, que um computador quântico seja capaz de funcionar estavelmente por horas, dias ou mesmo anos. Eles também empregam uma lógica computacional fundamentalmente diferente da dos dispositivos clássicos. O software tem que ter sido projetado especificamente para aproveitar os efeitos quânticos que a máquina tem a oferecer, senão é inútil.

Em termos práticos, isso significa que os programas escritos agora servem exclusivamente para testar os novos computadores e para pesquisa básica, mas não para resolver problemas do mundo para além da mecânica quântica. E assim provavelmente permanecerá nas próximas décadas.

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