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Computadores quânticos competem por "supremacia"

Duas tecnologias podem estar prestes a superar até mesmo os mais poderosos computadores digitais em cerca de um ano, mas principais desafios permanecem sem solução

Shutterstock
Por muito tempo, cientistas sonharam com o desenvolvimento de computadores quânticos - máquinas que dependem de leis misteriosas da física para realizar tarefas muito além da capacidade dos supercomputadores mais fortes de hoje. Em teoria, essa máquina poderia criar modelos matemáticos complexos demais para os computadores “normais”, ampliando o alcance e a precisão das previsões climáticas e do mercado financeiro, entre outras coisas. Poderiam simular processos físicos como a fotossíntese, abrindo novas fronteiras para a energia verde. A computação quântica também pode invadir a inteligência artificial em um nível de sofisticação muito maior: se o Watson da IBM já pode ganhar no Jeopardy! e fazer alguns diagnósticos médicos, imagine o que uma versão muito mais inteligente poderia fazer.

Contudo, para tornar reais essas visões, cientistas precisam primeiramente descobrir como, de fato, construir uma computador quântico que possa realizar mais do que as operações mais simples. Agora parecem estar mais próximos do que nunca, com o anúncio da IBM em maio sobre o seu sistema quântico mais complexo até então, e a Google dizendo que, neste ano, está no caminho certo para desvendar um processador dotado da chamada “supremacia quântica” - capacidades que não poderiam ser emuladas por nenhum computador convencional.

Já existem sistemas pequenos, mas os próximos passos na corrida para torná-los maiores irão que determinar se os computadores quânticos podem entregar o potencial que prometem. Cientistas e players da indústria se concentraram principalmente em uma de duas abordagens. Uma delas esfria os emaranhados de fios para perto de -273,15°C, ou zero absoluto, transformando-os em supercondutores nos quais a corrente flui praticamente sem resistência. A outra se baseia em íons presos - átomos carregados do raro elemento de terra, mantidos no lugar em uma câmara de vácuo por feixes de laser e manipulados por outros. As cargas oscilantes (tanto nos fios como nos íons presos) funcionam como bits quânticos, ou "qubits", que podem ser aproveitados para realizar as operações do computador.

Saltos quânticos

O truque para qualquer abordagem é descobrir como passar dos sistemas já demonstrados - contendo apenas alguns qubits - para aqueles que podem lidar com as centenas ou milhares de qubits necessários para o tipo de “levantamento de peso” que a tecnologia quântica parece prometer. No ano passado, a IBM disponibilizou um processador quântico de cinco qubits para desenvolvedores, pesquisadores e programadores para experimentação através de um portal na nuvem. A empresa fez progressos significativos desde então, revelando em maio que atualizou seu computador quântico baseado em nuvem para um processador de 16 qubits e criou um processador de 17 bits mais bem projetado, o qual poderia ser a base para sistemas comerciais. Ambos são baseados nos circuitos supercondutores tipo wire-loop, assim como o processador de 20 qubits do Google, que a empresa anunciou em uma conferência em Munique, na Alemanha, em 22 de junho. Alan Ho, engenheiro do Laboratório de Inteligência Artificial Quântica, disse durante a conferência que sua empresa espera alcançar a supremacia quântica com um chip de 49 bits até o final deste ano.

Esses números podem não parecer impressionantes, mas um qubit é muito mais poderoso do que o tipo de bit que serve como a menor unidade de dados em um computador convencional. Esses bits são baseados no fluxo de corrente elétrica e compõem o idioma digital em que a computação funciona: "Off" significa 0 e "on" significa 1, e esses dois estados codificam todas as operações do computador. Os qubits, no entanto, não são baseados em interruptores elétricos "sim/não", mas sim nas propriedades quânticas de uma partícula, como a direção na qual um elétron gira. No mundo quântico, uma partícula pode existir simultaneamente em uma variedade de estados mais complexos do que simplesmente on/off - um fenômeno conhecido como superposição. "Você pode ter cabeças, você pode ter caudas, mas você também pode ter qualquer superposição ponderada. Você pode ter 70-30 cabeças-caudas", diz Christopher Monroe, físico da Universidade de Maryland em College Park e fundador da IonQ, um start-up que trabalha na construção de um computador quântico com íons presos.

A habilidade mais-que-binária de ocupar múltiplos estados de uma vez permite aos qubits desempenharem muitos cálculos simultaneamente, ampliando vastamente o seu poder de computação. Esse poder cresce exponencialmente com o número de qubits. Então, em algum lugar próximo a 49 ou 50 qubits, computadores quânticos alcançam o equivalente a cerca de dez quadrilhões de bits e se torna capaz de fazer cálculos que um computador clássico não conseguiria executar, diz John Preskill, físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Se eles farão coisas úteis é uma questão diferente”, segundo ele.

Ambos os circuitos supercondutores e os íons presos têm um boa chance de bater esse limite de cinquenta qubits, diz Jerry Chow, gerente de computação quântica experimental no Centro de Pesquisa T.J. Watson da IBM em Yorktown Heights, Nova Iorque. O pensamento convencional sugeriria que mais qubits significam mais poder, mas Chow observa que "não é apenas sobre o número de qubits". Ele está mais focado no número e na qualidade dos cálculos que a máquina pode executar, uma métrica que ele chama de "volume quântico". Isso inclui fatores adicionais, como a rapidez com que os qubits podem executar os cálculos e o quão bem eles evitam ou corrigem os erros que podem invadir o computador. Alguns desses fatores podem trabalhar uns contra os outros; adicionar mais qubits, por exemplo, pode aumentar a taxa de erros à medida que a informação passa de um qubit para outro. "Como uma comunidade, todos deveríamos nos concentrar - não importa se estamos trabalhando em qubits supracondutores, íons presos ou o que quer que seja - em impulsionar esse volume quântico para que possamos fazer mais e mais processadores quânticos poderosos, fazendo coisas que nós nunca pensamos", diz Chow.

Melhor, não maior

Recentemente, Monroe comparou o seu sistema de íons presos de cinco qubits com o processador de cinco qubits da IBM rodando os mesmos algoritmos simples em ambos e viu que os desempenhos são comparáveis. Segundo ele, a maior diferença é que os íons presos estão todos conectados uns aos outros através de forças eletromagnéticas: balance um íon de uma string com 30 e todos os outros íons reagirão, tornando fácil passar informações de maneira rápida e precisa entre eles. No circuito supercondutor tipe wire loop, apenas alguns qubits estão conectados, o que faz a transmissão de informação um processo mais lento e que pode introduzir erros.

Uma vantagem dos circuitos supercondutores é que eles são fáceis de construir, usando os mesmos processos utilizando com chips de computador. Eles executam as operações básicas do portal lógico de um computador - isto é, adicionando, subtraindo ou manipulando os bits - em bilhões de segundos. Por outro lado, qubits neste tipo de sistema mantêm seu estado quântico por apenas milissegundos - milésimos de segundo - então qualquer operação deve ser concluída nesse momento.

Os íons presos, ao contrário, retém seus estados quânticos por vários segundos - às vezes, até minutos ou horas. Porém, os portões lógicos de um sistema desse tipo são executados cerca de 1.000 vezes mais lentos do que na computação quântica baseada em supercondutores. Essa redução de velocidade provavelmente não importa em operações simples com apenas alguns qubits, diz Monroe. Contudo, isso pode se tornar um problema para obter uma resposta em um período de tempo razoável à medida que o número de qubits aumenta. Para qubits supercondutores, números crescentes podem significar uma luta para conectá-los.

E aumentar o número de qubits, independentemente da tecnologia com a qual eles são usados, torna mais difícil conectá-los e manipulá-los - porque isso deve ser feito enquanto eles são mantidos isolados do resto do mundo, para que preservem seus estados quânticos. Quanto mais átomos ou elétrons se agruparem em grande número, mais as regras da física clássica assumem o controle - e as propriedades quânticas dos átomos individuais se tornam menos significativas para o comportamento de todo o sistema. "Quando você faz um sistema quântico grande, ele torna menos quântico, diz Monroe.

Chow acredita que os computadores quânticos vão se tornar poderosos o suficiente para fazer ao menos alguma coisa além da capacidade de computadores clássicos - possivelmente uma simulação em química quântica - em cerca de cinco anos. Segundo Monroe, é razoável esperar sistemas os quais contenham alguns milhares de qubits em uma década ou mais. Até certo ponto, diz ele, os pesquisadores não saberão o que poderão fazer com esses sistemas até descobrir como os construir.

Preskill, que tem 64 anos, diz que acha que vai viver tempo suficiente para que os computadores quânticos tenham um impacto na sociedade tal como a internet e os smartphones têm - embora ele não possa prever exatamente qual será o impacto. "Esses sistemas quânticos falam um idioma que os sistemas digitais não falam", diz ele. "Sabemos pela história que simplesmente não temos a imaginação para antecipar para onde as novas tecnologias de informação podem nos levar.”

Neil Savage
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