Porque precisamos dos computadores quânticos e para que serão usados?

Por Edd Gent, Live Science

As empresas de tecnologia estão investindo bilhões de dólares em computação quântica, apesar da tecnologia ainda estar a anos de distância de aplicações práticas. Então, para que os futuros computadores quânticos serão usados – e por que tantos especialistas estão convencidos de que eles mudarão o jogo?

Construir um computador que aproveite as propriedades incomuns da mecânica quântica é uma ideia que está em disputa desde a década de 1980. Mas nas últimas duas décadas, os cientistas fizeram avanços significativos na construção de dispositivos de grande escala. Agora, uma série de gigantes da tecnologia, do Google à IBM, bem como várias startups bem financiadas, investiram somas significativas na tecnologia – e criaram várias máquinas individuais e unidades de processamento quântico (QPUs).

Em teoria, os computadores quânticos poderiam resolver problemas que estão além até mesmo do computador clássico mais poderoso. No entanto, há um amplo consenso de que esses dispositivos precisarão se tornar muito maiores e mais confiáveis antes que isso aconteça. Uma vez que o façam, no entanto, há esperança de que a tecnologia supere uma série de desafios atualmente insolúveis em química, física, ciência dos materiais e até mesmo aprendizado de máquina.

“Não é apenas como um computador clássico rápido, este é um paradigma completamente diferente”, disse Norbert Lütkenhaus, diretor executivo do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, à Live Science. “Os computadores quânticos podem resolver algumas tarefas com eficiência que os computadores clássicos simplesmente não podem fazer.”

O atual estado da arte

O bloco de construção mais fundamental de um computador quântico é o qubit – uma unidade de informação quântica que é comparável a um bit em um computador clássico, mas com a incrível capacidade de representar uma combinação complexa de 0 e 1 simultaneamente. Os qubits podem ser implementados em uma ampla gama de hardwares diferentes, incluindo circuitos supercondutores, íons presos ou até fótons (partículas de luz).

Os maiores computadores quânticos de hoje acabaram de ultrapassar a marca de 1.000 qubits, mas a maioria apresenta apenas algumas dezenas ou centenas de qubits. Eles são muito mais propensos a erros do que os componentes de computação clássicos devido à extrema sensibilidade dos estados quânticos ao ruído externo, que inclui mudanças de temperatura ou campos eletromagnéticos dispersos. Isso significa que atualmente é difícil executar grandes programas quânticos por tempo suficiente para resolver problemas práticos.

Isso não significa que os computadores quânticos de hoje sejam inúteis, disse William Oliver, diretor do Centro de Engenharia Quântica do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos EUA. “Os computadores quânticos são usados hoje é basicamente para aprender como tornar os computadores quânticos maiores e também para aprender a usar computadores quânticos”, disse ele em entrevista à Live Science.

A construção de processadores cada vez maiores fornece informações cruciais sobre como projetar máquinas quânticas maiores e mais confiáveis e fornece uma plataforma para desenvolver e testar novos algoritmos quânticos. Eles também permitem que os pesquisadores testem esquemas de correção de erros quânticos, que serão cruciais para alcançar toda a promessa da tecnologia. Isso normalmente envolve a disseminação de informações quânticas em vários qubits físicos para criar um único “qubit lógico”, que é muito mais resiliente.

Lütkenhaus disse que avanços recentes nessa área sugerem que a computação quântica tolerante a falhas pode não estar tão distante. Várias empresas, incluindo QuEra, Quantinuum e Google, demonstraram recentemente a capacidade de gerar qubits lógicos de forma confiável. Escalar para milhares, senão milhões, de qubits que precisamos para resolver problemas práticos levará tempo e muito esforço de engenharia, diz Lütkenhaus. Mas, uma vez que isso seja alcançado, uma série de aplicações interessantes surgirão.

Onde o quantum pode ser um divisor de águas

O segredo do poder da computação quântica está em um fenômeno quântico conhecido como superposição, disse Oliver. Isso permite que um sistema quântico ocupe vários estados simultaneamente até ser medido. Em um computador quântico, isso torna possível colocar os qubits subjacentes em uma superposição que representa todas as soluções potenciais para um problema.

“À medida que executamos o algoritmo, as respostas incorretas são suprimidas e as respostas corretas são aprimoradas”, disse Oliver. “E assim, no final do cálculo, a única resposta sobrevivente é a que estamos procurando.”

Isso torna possível resolver problemas muito vastos para serem resolvidos sequencialmente, como um computador clássico teria que fazer, acrescentou Oliver. E em certos domínios, os computadores quânticos podem realizar cálculos exponencialmente mais rápido do que seus primos clássicos à medida que o tamanho do problema aumenta.

Uma das aplicações mais óbvias está na simulação de sistemas físicos, disse Oliver, porque o próprio mundo é governado pelos princípios da mecânica quântica. Os mesmos fenômenos estranhos que tornam os computadores quânticos tão poderosos também tornam a simulação de muitos sistemas quânticos em um computador clássico intratável em escalas úteis. Mas, como operam com os mesmos princípios, os computadores quânticos devem ser capazes de modelar o comportamento de uma ampla gama de sistemas quânticos com eficiência.

Isso pode ter um impacto profundo em áreas como química e ciência dos materiais, onde os efeitos quânticos desempenham um papel importante, e pode levar a avanços em tudo, desde tecnologia de baterias a supercondutores, catalisadores e até produtos farmacêuticos.

Os computadores quânticos também têm alguns usos menos saborosos. Com qubits suficientes, um algoritmo inventado pelo matemático Peter Shor em 1994 poderia quebrar a criptografia que sustenta grande parte da internet de hoje. Felizmente, os pesquisadores criaram novos esquemas de criptografia que evitam esse risco e, no início deste ano, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) lançou novos padrões de criptografia “pós-quântica” que já estão sendo implementados.

Possibilidades emergentes da computação quântica

Outras aplicações para computadores quânticos são, no momento, um tanto especulativas, disse Oliver.

Há esperanças de que a tecnologia possa ser útil para otimização, que envolve a busca da melhor solução para um problema com muitas soluções possíveis. Muitos desafios práticos podem ser resumidos a processos de otimização, desde facilitar os fluxos de tráfego em uma cidade até encontrar as melhores rotas de entrega para uma empresa de logística. Construir o melhor portfólio de ações para um objetivo financeiro específico também pode ser uma aplicação possível.

Até agora, porém, a maioria dos algoritmos de otimização quântica oferece menos do que acelerações exponenciais. Como o hardware quântico opera muito mais devagar do que os eletrônicos atuais baseados em transistor, essas modestas vantagens de velocidade algorítmica podem desaparecer rapidamente quando implementadas em um dispositivo do mundo real.

Ao mesmo tempo, o progresso nos algoritmos quânticos estimulou inovações na computação clássica. “À medida que os projetistas de algoritmos quânticos criam diferentes esquemas de otimização, nossos colegas da ciência da computação avançam seus algoritmos e essa vantagem que parecemos ter acaba evaporando”, acrescentou Oliver.

Outras áreas de pesquisa ativa com potencial de longo prazo menos claro incluem o uso de computadores quânticos para pesquisar grandes bancos de dados ou realizar aprendizado de máquina, que envolve a análise de grandes quantidades de dados para descobrir padrões úteis. As acelerações aqui também são menos do que exponenciais e há o problema adicional de traduzir grandes quantidades de dados clássicos em estados quânticos nos quais o algoritmo pode operar – um processo lento que pode rapidamente consumir qualquer vantagem computacional.

Mas ainda é cedo e há muito espaço para avanços algorítmicos, disse Oliver. O campo ainda está em processo de descoberta e desenvolvimento dos blocos de construção dos algoritmos quânticos – procedimentos matemáticos menores conhecidos como “primitivos” que podem ser combinados para resolver problemas mais complexos.

“Precisamos entender como construir algoritmos quânticos, identificar e alavancar esses elementos do programa, encontrar novos, se existirem, e entender como juntá-los para criar novos algoritmos”, diz Oliver.

Isso deve orientar o desenvolvimento futuro do campo, acrescentou Lütkenhaus, e é algo que as empresas devem ter em mente ao tomar decisões de investimento. “À medida que avançamos no campo, não se concentre muito cedo em problemas muito específicos”, disse ele. “Ainda precisamos resolver muitos problemas mais genéricos e isso pode se ramificar em muitas aplicações.”