O que é computação quântica?
Os computadores quânticos introduzem novos conceitos aos métodos de programação tradicionais usando as regras especiais da física quântica para fazer cálculos.
Vamos ver como a computação quântica difere da computação clássica e como criar um computador quântico.
O nascimento da computação quântica
A ideia de um computador quântico nasceu da dificuldade de simular sistemas quânticos em um computador clássico. Na anos 80, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram que hardware baseado em fenômenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que computadores convencionais.
Há muitas formas de entender por que os sistemas quânticos são difíceis de simular. O mais simples é ver que a matéria, em um nível quântico, está em uma infinidade de formas de organização possíveis (conhecidas como estados) ao mesmo tempo.
A computação quântica cresce exponencialmente
Considere um sistema de partículas quânticas, por exemplo, elétrons. Há $40$ posições ou locais possíveis para os elétrons. Portanto, o sistema pode estar em qualquer uma das configurações de $2^{40}$, pois cada local pode ter ou não um elétron. Para armazenar o estado quântico dos elétrons em uma memória de computador convencional, será necessário mais de $130$ GB de memória! Se os elétrons tivessem permissão para ocupar um local extra, de modo que eles pudessem estar em qualquer uma de $41$ posições, haveria o dobro de configurações em $2^{41}$, o que, por sua vez, exigiria mais de $260$ GB de memória para armazenar o estado quântico.
Este jogo de aumentar o número de locais não pode ser jogado indefinidamente. Armazenar o estado convencionalmente excederia rapidamente as capacidades de memória das máquinas mais poderosas do mundo. Com algumas centenas de elétrons, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo; portanto, não há esperança de que nossos computadores convencionais simulem sua dinâmica quântica.
Transformar a dificuldade em oportunidade
A observação deste crescimento exponencial levou a fazer uma pergunta poderosa: é possível transformar esta dificuldade em uma oportunidade? Especificamente, se os sistemas quânticos são difíceis de simular, o que aconteceria se criássemos hardware que tivesse efeitos quânticos como operações fundamentais? Poderíamos simular sistemas quânticos de partículas que interagem usando um computador que explora exatamente as mesmas leis da física? E poderíamos usar esse computador para investigar outras tarefas que estão ausentes das partículas quânticas, mas são cruciais para nós? Essas perguntas levaram à concepção da Computação Quântica.
Em 1985, David Deutsch mostrou que um computador quântico poderia simular de forma eficiente o comportamento de qualquer sistema físico. Essa descoberta foi a primeira indicação de que computadores quânticos poderiam ser usados para resolver problemas intratáveis em computadores clássicos.
Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para fatoração de inteiros que funciona exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido. A resolução de fatoração possibilita a quebra de muitos de nossos criptosistemas de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrônico atualmente, incluindo a RSA e a Criptografia de Curva Elíptica. Essa descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para vários outros problemas.
Desde então, foram desenvolvidos algoritmos de computador quântico rápidos e eficientes para muitas de nossas tarefas clássicas difíceis: simulação de sistemas físicos em química, física e ciência dos materiais, pesquisa em um banco de dados não ordenado, resolução de sistemas de equações lineares e aprendizado de máquina.
O que é um qubit?
Assim como os bits são o objeto fundamental das informações na computação clássica, qubits (bits quânticos) são o objeto fundamental das informações na computação quântica.
Um qubit é a unidade básica de informações na computação quântica. Os Qubits desempenham um papel semelhante na computação quântica que os bits desempenham na computação clássica, mas se comportam de maneira diferente. Os bits clássicos são binários e podem conter apenas uma posição de $0$ ou $1$, mas os qubits podem conter uma superposição de todos os estados possíveis. Esse comportamento significa que um qubit pode estar em um estado de $0$, $1$ ou qualquer superposição quântica dos dois. Há infinitas superposições possíveis de $0$ e $1$, e cada uma delas é um estado de qubit válido.
Na computação quântica, a informação é codificada na superposição dos estados $0$ e $1$. Por exemplo, com $8$ bits, poderíamos codificar $256$ valores diferentes, mas temos que escolher um deles para codificá-lo. Com $8$ qubits, poderíamos codificar os $256$ valores ao mesmo tempo, porque um qubit pode estar em uma superposição de todos os estados possíveis.
Como criar um computador quântico
Um computador quântico é um computador que tira proveito dos fenômenos da mecânica quântica. Os computadores quânticos usam estados quânticos da matéria para armazenar e computar informações. Eles podem "programar" a interferência quântica para fazer tudo mais rápido ou melhor do que os computadores convencionais.
Ao criar um computador quântico, precisamos pensar em como criar os qubits e como armazená-los. Também precisamos pensar em como manipulá-los e como ler os resultados das computações.
As tecnologias de qubit mais utilizadas são qubits de íons aprisionados, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubits, a unidade que abriga os qubits é mantida a uma temperatura próxima de zero absoluto para maximizar sua coerência e reduzir a interferência. Outros tipos de hospedagem de qubits usam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e estabilizar os qubits. Os sinais podem ser enviados aos qubits usando vários métodos, incluindo microondas, laser e voltagem.
Os cinco critérios de um computador quântico
Um bom computador quântico deve ter estas cinco características:
- Escalonável: Ele pode ter vários qubits.
- Inicializável: Pode definir os qubits para um estado específico (geralmente o estado $0$).
- Resiliente: Ele pode manter os qubits no estado de superposição por um longo tempo.
- Universal: Um computador quântico não precisa realizar todas as operações possíveis, apenas um conjunto de operações chamado conjunto universal. Um conjunto de operações quânticas universais é tal que qualquer outra operação pode ser decomposta em uma sequência delas.
- Confiável: Ele pode medir os qubits com precisão.
Esses cinco critérios geralmente são conhecidos como os critérios da computação quântica de Di Vicenzo.
O desafio de engenharia de desenvolver dispositivos que atendam a esses cinco critérios é um dos desafios de engenharia mais exigentes que a humanidade já enfrentou. A Microsoft tem parceria com alguns dos melhores fabricantes de computadores quânticos no mundo todo para oferecer acesso às mais recentes soluções em computação quântica por meio do Azure Quantum.