O que é a computação quântica?
Os computadores quânticos introduzem novos conceitos aos métodos tradicionais de programação usando as regras especiais da física quântica para fazer cálculos.
Vamos ver como a computação quântica difere da computação clássica e como construir 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 década de 1980, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram que o hardware baseado em fenômenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que os computadores convencionais.
Há muitas maneiras 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 configurações possíveis (conhecidas como estados) ao mesmo tempo.
Computação quântica cresce exponencialmente
Considere um sistema de partículas quânticas, por exemplo, elétrons. Existem $40$ posições ou localizações possíveis para os elétrons. O sistema, portanto, pode estar em qualquer uma das configurações de $2^{40}$, uma vez que cada local pode ter ou não um elétron. Armazenar o estado quântico dos eletrões numa memória de computador convencional exigiria mais de $130$ GB de memória! Se os elétrons fossem autorizados a um local extra, para que pudessem estar em qualquer uma das posições de $41$, 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. Se você quiser armazenar o estado convencionalmente, você excederia rapidamente as capacidades de memória das máquinas mais poderosas do mundo. Em algumas centenas de elétrons, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo; portanto, não há esperança com nossos computadores convencionais de simular sua dinâmica quântica.
Transformar a dificuldade em oportunidade
A observação desse crescimento exponencial levou a fazer uma pergunta poderosa: é possível transformar essa dificuldade em uma oportunidade? Especificamente, se os sistemas quânticos são difíceis de simular, o que aconteceria se construíssemos hardware que tivesse efeitos quânticos como operações fundamentais? Poderíamos simular sistemas quânticos de partículas interagindo usando uma máquina que explora exatamente as mesmas leis da física? E poderíamos usar essa máquina para investigar outras tarefas que estão ausentes das partículas quânticas, mas são cruciais para nós? Essas questões levaram à gênese da Computação Quântica.
Em 1985, David Deutsch mostrou que um computador quântico poderia simular eficientemente o comportamento de qualquer sistema físico. Esta descoberta foi a primeira indicação de que os computadores quânticos poderiam ser usados para resolver problemas que são intratáveis em computadores clássicos.
Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para factoring de números inteiros que funciona exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido. A resolução de factoring torna possível a capacidade de quebrar muitos dos nossos sistemas de criptografia de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrônico hoje, incluindo RSA e criptografia de curva elíptica. Esta descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para muitos outros problemas.
Desde então, algoritmos de computador quântico rápidos e eficientes foram desenvolvidos para muitas de nossas tarefas clássicas difíceis: simular sistemas físicos em química, física e ciência dos materiais, pesquisar um banco de dados não ordenado, resolver sistemas de equações lineares e aprendizado de máquina.
O que é um qubit?
Assim como os bits são o objeto fundamental da informação na computação clássica, os qubits (bits quânticos) são o objeto fundamental da informação na computação quântica.
Um qubit é a unidade básica de informação da computação quântica. Qubits desempenham um papel semelhante na computação quântica como os bits desempenham na computação clássica, mas eles se comportam de forma diferente. Os bits clássicos são binários e podem manter apenas uma posição de $0$ ou $1$, mas os qubits podem manter 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. Existem 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 sobreposição 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 valores $256$ ao mesmo tempo, porque um qubit pode estar em uma superposição de todos os estados possíveis.
Como construir um computador quântico
Um computador quântico é um computador que tira proveito de fenômenos da mecânica quântica. Os computadores quânticos usam estados quânticos da matéria para armazenar e calcular informações. Eles podem "programar" a interferência quântica para fazer coisas mais rápidas ou melhores do que os computadores clássicos.
Ao construir 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 de nossos cálculos.
As tecnologias de qubit mais usadas são qubits de íons intercetados, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubit, a unidade que abriga os qubits é mantida a uma temperatura próxima do zero absoluto para maximizar sua coerência e reduzir a interferência. Outros tipos de alojamento de qubits utilizam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e a estabilizá-los. Os sinais podem ser enviados para os qubits usando vários métodos, incluindo micro-ondas, laser e tensão.
Os cinco critérios para um computador quântico
Um bom computador quântico deve ter estas cinco características:
- Escalável: Pode ter muitos qubits.
- Inicializável: Ele pode definir os qubits para um estado específico (geralmente o estado $0$).
- Resiliente: Pode manter os qubits em estado de superposição por um longo tempo.
- Universal: Um computador quântico não precisa executar 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.
Estes cinco critérios são frequentemente conhecidos como os critérios de Di Vincenzo para computação quântica.
O desafio de engenharia de construir dispositivos que atendam a esses cinco critérios é um dos mais exigentes já enfrentados pela humanidade. A Microsoft está a estabelecer uma parceria com alguns dos melhores fabricantes de computadores quânticos em todo o mundo para lhe dar acesso às mais recentes soluções de computação quântica através do Azure Quantum.