Computadores quânticos são um termo que vem ganhando popularidade recentemente, especialmente com uma grande quantidade de receita dedicada à sua pesquisa a cada ano. Enquanto o público em geral está ciente do fato de que a pesquisa está sendo feita neste campo, mas muitos não estão verdadeiramente conscientes das complexidades e princípios de trabalho por trás dele. Este artigo tem como objetivo fornecer uma visão geral básica dos principais envolvidos, problemas enfrentados e soluções para enfrentá-los. Basicamente, a computação quântica é o uso de fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento para realizar a computação.

O campo da computação quântica é, na verdade, um sub-campo da ciência da informação quântica, que inclui criptografia quântica e comunicação quântica. A Computação Quântica foi iniciada no início dos anos 80, quando Richard Feynman e Yuri Manin expressaram a idéia de que um computador quântico tinha o potencial de simular coisas que um computador clássico não podia. Em 1994, Peter Shor publicou um algoritmo que é capaz de resolver com eficiência alguns problemas que são usados ​​em criptografia assimétrica que são considerados difíceis para computadores clássicos.

Atualmente existem duas abordagens principais para implementar fisicamente um computador quântico: analógico e digital. Abordagens analógicas são divididas em simulação quântica, recozimento quântico e computação quântica adiabática. Computadores quânticos digitais usam portas lógicas quânticas para fazer computação. Ambas as abordagens usam bits quânticos ou qubits.

Os Qubits são fundamentais para a computação quântica e são de certa forma análogos aos bits de um computador clássico. Qubits podem estar em um estado quântico 1 ou 0. Mas eles também podem estar em uma superposição dos estados 1 e 0. No entanto, quando os qubits são medidos, o resultado é sempre 0 ou 1; as probabilidades dos dois resultados dependem do estado quântico em que estavam.

Os computadores quânticos físicos de hoje são muito barulhentos e a correção de erros quânticos é um campo de pesquisa em expansão. Infelizmente, o hardware existente é tão barulhento que a computação quântica tolerante a falhas ainda é um sonho distante. A partir de abril de 2019, não foi demonstrado nenhum hardware quântico expansível, nem foram publicados algoritmos comercialmente úteis para os computadores quânticos pequenos e barulhentos de hoje.

Há uma quantidade crescente de investimentos em computação quântica por governos, empresas estabelecidas e start-ups. Ambas as aplicações do dispositivo de escala intermediária de curto prazo e a demonstração da supremacia quântica são ativamente buscadas na pesquisa acadêmica e industrial.

Um computador quântico aproveita alguns dos fenômenos quase místicos da mecânica quântica para oferecer grandes avanços no poder de processamento. As máquinas Quantum prometem superar até os mais capazes dos supercomputadores de hoje e de amanhã.
Eles não vão destruir computadores convencionais, no entanto.

O uso de uma máquina clássica ainda será a solução mais fácil e econômica para lidar com a maioria dos problemas. Mas os computadores quânticos prometem impulsionar avanços empolgantes em vários campos, da ciência dos materiais à pesquisa farmacêutica. As empresas já estão experimentando com eles para desenvolver coisas como baterias mais leves e mais potentes para carros elétricos e para ajudar a criar novos medicamentos.

Qubits

Os computadores de hoje usam bits – um fluxo de pulsos elétricos ou ópticos representando 1s ou 0s. Tudo a partir de sua música, jogos, vídeos, etc., são basicamente seqüências longas desses dígitos binários.

Os computadores quânticos, por outro lado, usam qubits, que são tipicamente partículas subatômicas, como elétrons ou fótons. Gerar e gerenciar qubits é um desafio científico e de engenharia. Algumas empresas, como IBM, Google e Rigetti Computing, usam circuitos supercondutores refrigerados a temperaturas mais baixas que o espaço profundo. Outros, como o IonQ, prendem átomos individuais em campos eletromagnéticos em um chip de silício em câmaras de vácuo ultra-alto. Em ambos os casos, o objetivo é isolar os qubits em um estado quântico controlado.
Os Qubits têm algumas propriedades quânticas peculiares que significam que um grupo conectado deles pode fornecer muito mais poder de processamento do que o mesmo número de bits binários. Uma dessas propriedades é conhecida como superposição e outra é chamada de emaranhamento.

Qubit Superposition

Os Qubits podem representar várias combinações possíveis de 1 e 0 ao mesmo tempo. Essa capacidade de estar simultaneamente em múltiplos estados é chamada de superposição. Para colocar os qubits em superposição, os pesquisadores os manipulam usando lasers de precisão ou feixes de microondas.

Graças a esse fenômeno contra-intuitivo, um computador quântico com vários qubits em superposição pode processar um vasto número de resultados potenciais simultaneamente. O resultado final de um cálculo surge apenas quando os qubits são medidos, o que imediatamente faz com que seu estado quântico colapse e reverta para 1 ou 0.

Entublement Qubit

Os pesquisadores podem gerar pares de qubits com emaranhamento quântico, o que significa que os dois membros de um par existem em um único estado quântico. Alterar o estado de um dos qubits mudará instantaneamente o estado do outro de uma maneira previsível. Isso acontece mesmo se eles estiverem separados por distâncias muito longas.

Ninguém realmente sabe bem como ou por que o emaranhamento funciona. Esse fenômeno também confundiu Einstein, que a descreveu como “uma ação fantasmagórica à distância”. Mas isso é inerentemente necessário ao poder dos computadores quânticos. Em um computador convencional, dobrar o número de bits dobra sua capacidade de processamento. Mas, graças ao emaranhamento, a adição de qubits extras a uma máquina quântica produz um aumento exponencial em sua capacidade de processamento de números.

Computadores quânticos utilizam qubits emaranhados em uma espécie de daisy chain para realizar tarefas computacionais. A capacidade da máquina de acelerar os cálculos usando algoritmos quânticos especialmente projetados é a chave para desvendar seu potencial.
Embora as vantagens de um computador quântico sejam claras, no entanto, a má notícia é que as máquinas quânticas são muito mais propensas a erros do que os computadores clássicos por causa da falta de coerência.

Decoherence

A interação dos qubits com o ambiente, de forma que o comportamento quântico decai e finalmente desaparece, é chamada de descoerência. Seu estado quântico é extremamente frágil. A menor vibração ou mudança de temperatura – distúrbios conhecidos como “ruído” na fala quântica – podem fazer com que eles caiam fora da superposição antes de seu trabalho ser feito corretamente. É por isso que os pesquisadores fazem o possível para proteger os qubits do mundo externo em geladeiras super-resfriadas e câmaras de vácuo.

Mas apesar de seus esforços, o ruído ainda faz com que muitos erros se infiltrem nos cálculos. Algoritmos quânticos inteligentes podem compensar alguns deles, e adicionar mais qubits também ajuda. No entanto, provavelmente serão necessários milhares de qubits padrão para criar um único e altamente confiável, conhecido como qubit lógico. Isso, por sua vez, drena a capacidade computacional de um computador quântico.

E até agora, os pesquisadores não conseguiram gerar mais de 128 qubits lógicos padrão, o que está longe da quantidade necessária para realizar tarefas complexas. Então, ainda estamos muitos anos longe de obter computadores quânticos que serão amplamente úteis.

Supremacia quântica

Apesar das desvantagens da descoerência, o objetivo de todas as empresas e pesquisadores que trabalham com computadores quânticos é alcançar a supremacia quântica. Este é o ponto no qual um computador quântico pode completar um cálculo matemático que está comprovadamente além do alcance do supercomputador mais poderoso.

Ainda não está claro quantos qubits serão necessários para isso, pois os pesquisadores continuam encontrando novos algoritmos para melhorar o desempenho das máquinas clássicas, e o hardware de supercomputação continua melhorando. Mas pesquisadores e empresas estão trabalhando duro para reivindicar o título, realizando testes contra alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

Há muito debate no mundo da pesquisa sobre o quão significativo será alcançar este marco. Em vez de esperar pela supremacia a ser declarada, as empresas já estão começando a experimentar computadores quânticos feitos por empresas como IBM, Rigetti, D-Wave, Alibaba, etc. Algumas empresas estão comprando computadores quânticos grandes e volumosos, enquanto a maioria dos outros estão usando os disponibilizados através de serviços de computação em nuvem.

Usos atuais da computação quântica

Uma das aplicações mais promissoras dos computadores quânticos é simular o comportamento da matéria até o nível molecular. Fabricantes de automóveis como Volkswagen e Daimler estão usando computadores quânticos para simular a composição química de baterias de veículos elétricos para ajudar a encontrar novas maneiras de melhorar seu desempenho. E as empresas farmacêuticas estão alavancando-as para analisar e comparar compostos que poderiam levar à criação de novos medicamentos.

As máquinas também são ótimas para problemas de otimização porque podem processar um grande número de soluções possíveis com extrema rapidez. A Airbus, por exemplo, os está usando para ajudar a calcular os caminhos de subida e descida mais eficientes em termos de combustível para aeronaves. E a Volkswagen revelou um serviço que calcula as rotas ótimas para ônibus e táxis nas cidades, a fim de minimizar o congestionamento. Alguns pesquisadores também acham que computadores quânticos poderiam ser usados ​​para acelerar a evolução da inteligência artificial.
Pode levar alguns anos para que os computadores quânticos atinjam todo o seu potencial.

Universidades e empresas que trabalham com eles estão enfrentando uma escassez de pesquisadores qualificados no campo – e uma falta de fornecedores de alguns componentes-chave. No entanto, recentes desenvolvimentos promissores, como os nanofridges, podem fornecer soluções potenciais de refrigeração para os circuitos quânticos e possivelmente reduzir a decoerência. Mas quaisquer aplicações do mundo real, para computadores quânticos de grau de consumo, ainda estão pelo menos 10 a 15 anos. Se essas novas máquinas de computação exóticas cumprirem suas promessas e expectativas, elas poderão inaugurar uma era de inovação e possivelmente mudar indústrias inteiras.