Temos ouvido falar de computadores quânticos há pelo menos alguns anos. Mas o que é isso? Para que serve um computador quântico? Hoje é tudo sobre isso em palavras simples.
Quântico computador é uma invenção que muitos pesquisadores têm grandes esperanças, esperando que tenha um impacto positivo no desenvolvimento da ciência. No entanto, entender como a física quântica funciona é muito difícil. Alguns físicos até duvidam se os atuais "computadores quânticos" deveriam ser chamados assim. O maior obstáculo no uso da computação quântica é o grande número de erros que são afetados até mesmo pelas menores mudanças no ambiente das máquinas quânticas. Até agora, ainda não conseguimos explorar satisfatoriamente o potencial dos bits quânticos. Hoje vamos tentar descobrir o que há de especial nesses bits quânticos?
Computadores quânticos existem?
A essência de qualquer cientista real é não confiar e verificar o tempo todo. Lembrei-me dessas mesmas palavras quando ainda era estudante. E mais de uma vez ele se certificou da exatidão dessa frase. Isso também se aplica a "computadores quânticos". Por que citei o nome desses computadores? Vamos descobrir.
Computadores quânticos são um tema muito complexo, mas tentarei simplificar ao máximo e falar sobre eles de forma acessível. Ainda hoje, cientistas, físicos e engenheiros podem debater a questão aparentemente simples de saber se existe um computador quântico em funcionamento em algum lugar do mundo. "Mas como, afinal, empresas como a IBM se gabam de computadores quânticos!" - alguém pode dizer. E ele estará certo. Permanece uma questão em aberto se a IBM realmente criou um computador quântico ou simplesmente chamou seu dispositivo de “computador quântico”.
Quando um dos meus amigos me pede para explicar em palavras simples como os computadores quânticos diferem dos computadores com os quais estamos acostumados, geralmente uso uma comparação simples. Se nossos computadores clássicos (como PC, laptops que smartphones) são velas, então os computadores quânticos são lâmpadas. A finalidade de ambas é a mesma – para lâmpadas incandescentes e velas, é a emissão de luz, e para computadores, é para cálculos. No entanto, em ambos os casos o objetivo é alcançado de forma completamente diferente e o resultado é diferente. Simplificando, um computador quântico não é apenas uma versão aprimorada dos computadores modernos, assim como uma lâmpada não é apenas uma vela maior. Você não pode criar uma lâmpada fazendo velas cada vez melhores. A lâmpada é diferente tecnologia, com base em uma compreensão científica mais profunda. Da mesma forma, um computador quântico é um novo tipo de dispositivo baseado na física quântica e, assim como a lâmpada mudou a sociedade, os computadores quânticos podem afetar muitos aspectos de nossas vidas, incluindo necessidades de segurança, saúde e até mesmo a Internet.
Então, se nos atermos à comparação de computadores com lâmpadas, o "quântico Joseph Swan" (o criador da primeira lâmpada incandescente funcional) ainda não apareceu, e até agora a ciência está tentando, em palavras simples, fazer "algo vermelho e quente" verificando o quanto ele brilha. Conhecemos alguns dos fundamentos teóricos de como os computadores quânticos funcionam, mas existem enormes obstáculos ao seu desenvolvimento que ainda estão esperando para serem resolvidos.
Centros de pesquisa e empresas em todo o mundo estão realizando mais testes e pesquisas, e especialistas no campo da física quântica concordam que a criação de máquinas quânticas totalmente funcionais que podemos usar para alcançar objetivos impossíveis de alcançar neste estágio obviamente passará de dezenas de anos.
Acredito, e muitos cientistas concordarão comigo, que as máquinas atualmente chamadas de computadores quânticos não merecem tal nome. Eles não têm a capacidade de realizar cálculos ou resolver problemas que não podemos resolver de maneira normal e clássica.
Ainda não atingimos tal grau de desenvolvimento tecnológico que seríamos capazes de criar uma máquina quântica que resolveria problemas atualmente inacessíveis aos computadores clássicos. Claro, Google ou IBM falam sobre alguns ou outros cálculos realizados que seriam difíceis de fazer de maneira clássica, mas no momento não são convincentes.
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O que é um quantum?
O que é um "quântico" afinal? Não é um objeto físico. O termo "quântico" é usado na física para descrever a menor fração possível de algo. Então você pode ter um "quântico de força", um "quântico de tempo" ou um "quântico de partículas". Seguindo esse caminho, chegaremos a termos como "física quântica" e "mecânica quântica", ou seja, ramos da ciência que tratam das menores interações ou sistemas possíveis - no nível dos átomos e até mesmo dos quarks individuais.
E agora chegamos ao qubit (bit quântico), ou seja, a "menor e indivisível unidade de informação quântica". Ao mesmo tempo, também chegamos ao primeiro ponto, que nos fala sobre as semelhanças e diferenças em como os computadores clássicos (usando bits) e os computadores quânticos (usando qubits) realizam cálculos.
Nos computadores clássicos, cada informação é armazenada como uma sequência de uns e zeros. Tais informações são percebidas e interpretadas por um computador, console, smartphone, relógio inteligente que smart tv, semelhante às operações que são executadas nestas informações. Seja vendo fotos de férias, conversando com amigos, jogando o último jogo ou realizando cálculos criptográficos avançados, tudo acontece em um sistema binário onde há 0s ou 1s e nada mais. Na verdade, é mais como um clássico sim ou não.
O quão ineficiente é esse sistema pode ser visto quando chegamos aos seus limites. E se ficarmos sem espaço em nossos smartphones para outra selfie ou se os cientistas estiverem tentando criar modelos matemáticos do desenvolvimento de uma pandemia, o problema é que existem muitos zeros e uns, e os recursos para armazená-los e o poder de calculá-los não estão disponíveis.
Qubit resolve este problema. Essa informação usa propriedades da física quântica que permitem que ela permaneça na chamada superposição. Um qubit pode assumir qualquer valor entre 0 e 1. Ele tem as propriedades de todo o espectro e pode ter valores como 15% zero e 85% um. Teoricamente, isso permite que você salve muito mais informações ou acelere os cálculos. Mas, ao mesmo tempo, surgem muitos problemas difíceis de controlar e até de entender.
Outra característica dos computadores quânticos, que permite um dimensionamento adicional do poder de computação, é o uso do emaranhamento quântico. Este é um estado onde dois qubits estão conectados um ao outro, e toda vez que observarmos um deles, o outro estará exatamente no mesmo estado. O emaranhamento permite que os qubits sejam agrupados em unidades ainda mais eficientes para gravar e processar informações.
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Equipamento quântico
Um computador quântico consiste em três partes principais: uma área para armazenar os qubits, um método para transmitir sinais aos qubits e um computador clássico para executar um programa e enviar instruções.
O material quântico que compõe os qubits é delicado e extremamente sensível às influências ambientais. Para alguns métodos de armazenamento de qubits, a unidade que abriga os qubits é mantida a uma temperatura próxima do zero absoluto para maximizar sua coerência. Outros tipos de armazenamento de qubits usam uma câmara de vácuo para minimizar a vibração e estabilizar os qubits.
Existem vários métodos de transmissão de sinais para qubits, como microondas, lasers e tensão elétrica.
Para estabelecer o funcionamento normal dos computadores quânticos, é necessário resolver muitos problemas. Um grande problema com computadores quânticos é a correção de erros, e o dimensionamento (adicionando mais qubits) aumenta ainda mais sua frequência. Devido a essas limitações, um computador pessoal quântico em sua mesa ainda é um futuro distante, mas computadores quânticos comerciais podem se tornar disponíveis em um futuro próximo. Vamos falar sobre isso com mais detalhes.
Problemas de computadores quânticos
No entanto, os computadores quânticos têm um grande problema. Ou seja, os cientistas têm um grande problema com seu uso, porque, graças às suas propriedades especiais, os qubits precisam de um ambiente suficientemente calmo para poder ler com precisão qualquer dado deles. Cada violação, mesmo a menor, tornará impossível ler as informações com precisão.
No caso dos computadores clássicos, um problema semelhante também desempenhou um papel importante no passado, mas hoje é tão insignificante que muitas vezes é esquecido até mesmo na ciência acadêmica. Estamos falando de taxa de erro. É um indicador que determina qual proporção de bits ou qubits de informação pode ser corrompida. Isso pode acontecer, por exemplo, no momento de sobretensão ou outros distúrbios.
Para dispositivos clássicos, a probabilidade de erro é de aproximadamente um a 1017 pedaço No caso dos computadores quânticos, este ainda é um entre várias centenas. E isso em uma situação em que os computadores quânticos funcionam nas condições mais isoladas e a uma temperatura de -272 graus Celsius, ou seja, um pouco acima do zero absoluto. Quaisquer flutuações de temperatura, mudanças no campo eletromagnético e até mesmo movimento destroem todo o cálculo.
Outro problema é a "instabilidade" dos estados quânticos. Toda vez que medimos ou queremos perturbar um estado quântico, ele retorna a uma das duas posições, zero e um. Neste caso, o estado quântico decairá. Esse processo é chamado de decoerência quântica.
Pense desta forma: um computador quântico é um matemático habilidoso que realiza cálculos complexos e seus resultados estão entre 0 e 1 milhão. Nós, por sua vez, somos uma criança que só entende que algo pode ser muito ou pouco. Sempre que um matemático pudesse ter resultados diferentes, como 356 ou 670,23, de acordo com nossa compreensão do mundo, cada um desses resultados seria classificado como poucos (1) ou muitos (846), sem definir uma diferença específica entre os dois. Isso é decoerência quântica. A única maneira de fazer um cálculo correto é garantir o trabalho de matemática antes de ser concluído.
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Para que usaremos computadores quânticos?
Hoje, surge a questão de para que os computadores quânticos podem ser usados, assim como há 20 anos, para que um smartphone pode ser usado. Claro, já existem alguns planos e suposições, mas as direções mais interessantes para o uso de qubits provavelmente ficarão claras quando os computadores quânticos se tornarem difundidos.
A criptografia é um dos campos mais populares onde a computação quântica é mais usada. O fato é que será um método de transmissão de informações de maneira muito segura, e a segurança não se baseia na complexidade dos processos de computação, mas nas leis da física, que darão confiança de que certas coisas são simplesmente impossíveis. E neste momento será impossível ouvir, espionar, hackear.
A segurança neste caso é garantida pelas próprias propriedades físicas dos qubits, que, como expliquei anteriormente, deixam de apresentar características de superposição assim que são observadas. Portanto, qualquer tentativa de interceptar ou mesmo copiar a mensagem codificada simplesmente a destruirá.
Os computadores quânticos também podem nos permitir entender melhor os processos naturais. O "caos" da superposição reflete muito melhor a forma como, por exemplo, as mutações no DNA e, portanto, o desenvolvimento da doença e a evolução. A computação quântica já está sendo usada hoje para criar novos medicamentos.
Talvez faça sentido falar sobre o uso de computadores quânticos para teletransporte de dados. Sim, precisamente o teletransporte de dados, e possivelmente de uma pessoa. Seremos capazes de teletransportar informações de um lugar para outro sem transferi-las fisicamente. Parece fantasia, mas é possível, porque essa fluidez das partículas quânticas pode se enredar no tempo e no espaço, de modo que uma mudança em uma partícula pode afetar outra, e isso cria um canal para o teletransporte. Isso já foi demonstrado em laboratórios e pode fazer parte da internet quântica do futuro. Ainda não temos essa rede, mas alguns cientistas já estão trabalhando nessas possibilidades, simulando uma rede quântica em um computador quântico. Eles já desenvolveram e implementaram novos protocolos interessantes, como teletransporte entre usuários da rede e transferência eficiente de dados, e até votação segura.
Deve-se dizer também que os computadores quânticos devem ser usados para simular várias situações e encontrar soluções para problemas, incluindo medicamentos e vacinas. Por exemplo, durante pandemias como o coronavírus, quando é necessário um cálculo e cálculo de opções mais rápidos. Aqui você pode usar a possibilidade de modelagem quântica, que não pode ser realizada em um computador clássico. Quando surge uma nova doença, o processo de encontrar a cura leva cerca de 15 anos e pode custar até US$ 2,6 bilhões. Em algumas doenças, é necessário filtrar milhões de moléculas para identificar apenas centenas de indivíduos promissores que provavelmente se tornarão doadores. Então, durante o teste, aproximadamente 99% das moléculas são descartadas devido, entre outras coisas, à má previsão de comportamento e limitações de amostragem. É aqui que os computadores quânticos viriam à tona.
E essas ainda são apenas algumas das ideias maravilhosas do que pode ser alcançado usando a física quântica. Atualmente, conseguimos até certo ponto domar seu caráter caprichoso, mas todos os desenvolvimentos ainda estão no nível inicial. A criação de um computador quântico real e sua aplicação em massa ainda está muito distante, mas o progresso não fica parado. Portanto, talvez em cerca de dez anos você estará lendo este artigo com a ajuda de um computador quântico e estará sorrindo condescendentemente.
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