O que é e como funciona um processador quântico?

Em Máquinas incríveis por André M. Coelho

A teoria quântica é o ramo da física que lida com o mundo dos átomos e as partículas menores (subatômicas) dentro deles. Você pode pensar que os átomos se comportam do mesmo modo que tudo o resto do mundo, mas isso não é verdade. Na escala atômica, as regras mudam e as leis “clássicas” da física que damos por certo em nossos cotidianos já não se aplicam automaticamente.

O que é a teoria quântica?

Se você estudou luz, você já sabe um pouco sobre a teoria quântica. Você pode saber que um feixe de luz às vezes se comporta como se fosse composto de partículas e às vezes, como se fossem ondas de energia. Isso é chamado de dualidade onda-partícula e é uma das idéias da teoria quântica. É difícil entender que algo pode ser duas coisas ao mesmo tempo, uma partícula e uma onda, porque é totalmente estranho à nossa experiência diária. Afinal, um carro não é simultaneamente uma bicicleta e um ônibus. Na teoria quântica, no entanto, esse é o tipo de coisa louca que pode acontecer. O exemplo mais marcante disso é o enigma desconcertante conhecido como o gato de Schrödinger. Resumidamente, no mundo estranho da teoria quântica, podemos imaginar uma situação em que um gato pudesse estar vivo e morto ao mesmo tempo.

Processador quântico: a relação entre a teoria quântica e os computadores

O que tudo isso tem a ver com computadores? Suponhamos que continuemos empurrando a Lei de Moore e continuemos a fazer os transistores menores até chegarem ao ponto em que eles não obedecem às leis comuns da física, mas às leis mais bizarras da mecânica quântica. A questão é se os computadores projetados dessa maneira podem fazer coisas que nossos computadores convencionais não podem. Se pudermos prever matematicamente que os computadores quânticos podem ser capazes de funcionar, podemos realmente colocá-los em prática?

As pessoas tem feito essas perguntas por várias décadas. Nos primórdios da computação quântica na década de 1960, foi proposto que a informação é uma entidade física que poderia ser manipulada de acordo com as leis da física. Uma conseqüência importante disso é que os computadores desperdiçam energia manipulando os bits dentro deles (o que é, em parte, o motivo pelo qual os computadores usam tanta energia e ficam tão quentes, mesmo que pareçam não fazer muitas tarefas). Na década de 1970, foi mostrado como um computador poderia contornar esse problema trabalhando de forma “reversível”, o que implica que um computador quântico poderia realizar cálculos massivamente complexos sem usar enormes quantidades de energia. Em 1981, foi imaginada uma máquina básica que funcionasse de maneira semelhante a um computador comum, mas de acordo com os princípios da física quântica. No ano seguinte, foi esboçado como uma máquina que usava princípios quânticos poderia realizar cálculos básicos. Alguns anos depois, delineou-se a base teórica de um computador quântico com mais detalhes, dando a estrutura essencial que é usada até hoje na fabricação e projetos de computadores quânticos.

Um processador quântico pode executar cálculos complexos que deixam qualquer computador moderno no chinelo. (Foto: New Scientist)

Processador quântico e a computação quântica

As características-chave de um computador comum (bits, registros, portas lógicas, algoritmos, e assim por diante) tem características análogas em um computador quântico. Em vez de bits, um computador quântico tem bits quânticos ou qubits, que funcionam de uma maneira particularmente intrigante. Um bit pode armazenar um zero ou um 1, um qubit pode armazenar um zero, um, ambos zero e um, ou um número infinito de valores entre eles e estar em vários estados (armazenar vários valores) ao mesmo tempo. Se isso parecer confuso, pense que a luz é uma partícula e uma onda ao mesmo tempo, o gato de Schrödinger está vivo e morto, ou um carro é ao mesmo tempo uma bicicleta e um ônibus. Uma maneira mais suave de pensar nos números que os qubits guardam é através do conceito de física da superposição, onde duas ondas se somam para fazer uma terceira que contém ambas as ondas originais. Se você sopra em algo como uma flauta, a tubulação se enche de uma onda parada: uma onda composta por uma freqüência fundamental (a nota básica que você está tocando) e muitos harmônicos (múltiplos de frequência mais alta do que o básico) . A onda dentro do tubo contém todas essas ondas simultaneamente: e elas são adicionadas para fazer uma onda combinada que as inclui todas elas. Qubits usam a superposição para representar vários estados (vários valores numéricos) simultaneamente de forma semelhante.

Assim como um computador quântico pode armazenar vários números ao mesmo tempo, para que ele possa processá-los simultaneamente, em vez de trabalhar em série fazendo uma série de coisas uma de cada vez em uma sequência, ele pode funcionar em paralelo,, fazendo várias coisas ao mesmo tempo. Somente quando você tenta descobrir em que estado ele está realmente a qualquer momento é que ele ele entra em um dos seus possíveis estados, e isso lhe dá a resposta ao seu problema. As estimativas sugerem que a capacidade do computador quântico de trabalhar em paralelo o tornariam milhões de vezes mais rápido do que qualquer computador convencional.

Processador quântico: o funcionamento

Na realidade, os qubits devem ser armazenados em átomos, íons (átomos com muitos ou poucos elétrons) ou mesmo coisas menores, como elétrons e fótons (pacotes de energia). Para isso, você precisa de mecanismos para conter átomos, íons ou partículas subatômicas para colocá-los em certos estados (para que você possa armazenar informações), colocando-os em outros estados (para que você possa fazê-los processar informações) e descobrir quais são seus estados depois que determinadas operações serem executadas.

Na prática, existem muitas maneiras possíveis de conter átomos e mudar seus estados usando raios laser, campos eletromagnéticos, ondas de rádio e uma variedade de outras técnicas. Um método é fazer qubits usando pontos quânticos, que são partículas minúsculas de semicondutores dentro dos quais transportadores de carga individuais, elétrons e furos (elétrons que faltam), podem ser controlados. Outro método faz qubits do que são chamados de armadilhas de íons: você adiciona ou retira elétrons de um átomo para fazer um íon, mantendo-o firme em um tipo de foco de laser e depois, girá-lo para diferentes estados com pulsos de laser. Em outra técnica, os qubits são fótons dentro de cavidades ópticas (espaços entre espelhos extremamente pequenos).

Não se preocupe se você não entende; Muitas pessoas não conseguem entender o funcionamento dos processadores quânticos. Uma vez que todo o campo da computação quântica ainda é amplamente abstrato e teórico, a única coisa que realmente precisamos saber é que os qubits são armazenados por átomos ou outras partículas de escala quântica que podem existir em diferentes estados e serem trocados entre eles.

Atualmente, várias empresas já se arriscam no desenvolvimento de processadores quânticos, com destaque especial para a D-Wave e a IBM. O problema é que eles ainda são muito caros, e devem funcionar apenas em ambientes muito específicos e controlados. Para se ter uma ideia, é necessário nitrogênio líquido para manter o processador da D-Wave na temperatura ideal de funcionamento.

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Sobre o autor

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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