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Desemaranhando computadores quânticos

Computadores quânticos terão capacidade de armazenamento de informação muito superior à convencional

National Science Foundation/Youtube/Science Behind The News: Quantum Computing
Eric Escobar e Lee Falin conversam sobre computadores quânticos – e explicam todas aquelas teorias da conspiração que você pode ter ouvido sobre seu poder computacional

Se você já leu ou ouviu o episódio em que Lee Falin explica a computação quântica, você provavelmente ficou com mais perguntas que respostas. Você não está sozinho. A computação quântica é uma ideia tão complexa que ela confunde até as mentes científicas mais brilhantes.

Para nossos propósitos práticos, porém, a pergunta principal é: qual é a diferença entre um computador quântico e seu laptop ou desktop?

Bem, um computador normal usa bits (1 e 0) que geralmente ficam armazenados em transistores. Computadores normais usam bits para executar código, armazenar imagens, tocar música, verificar o Facebook, e basicamente qualquer coisa que você consiga imaginar. Computadores quânticos armazenam suas informações como qubits, ou bits quânticos. Bits quânticos são bem complicados, porque podem ser um 0 ou um 1, ou ambos! Isso se chama superposição.

Essa propriedade permite algumas coisas muito empolgantes no mundo da programação e da matemática. Esse terceiro estado de um qubit não é observável. De fato, quando você consegue observá-lo, ele se transforma em um 0 ou 1. Mais ou menos o que acontece quando você abre a porta da geladeira: a luz sempre acende. Não é possível observar o interior de uma geladeira escura.

Super o quê?

Computadores quânticos usam essa quebra de superposição para realizar cálculos bem interessantes que computadores normais têm muita dificuldade para processar.

Computadores normais acham muito difícil, por exemplo, encontrar fatores de números primos , e quase todos os tipos de criptografia usam alguma forma de grandes primos ou funções de mão única para proteger seus dados.

Na prática, você usa isso centenas de vezes durante o dia para logar e deslogar em websites. Para quebrar sua senha, eu só teria que tentar algumas vezes até acertar. Já em um computador quântico, quando o estado de superposição colapsa, o mesmo acontece com sua senha.

Isso também poderia afetar o mundo do Bitcoin e outras tecnologias criptográficas. Porque o que costumava ser um problema muito difícil de resolver, agora é bem simples!

Mas você ainda não precisa começar a se preocupar. Não há nada conhecido que possa quebrar senhas em um piscar de olhos! Existem computadores quânticos que podem usar alguns qubits para fazer cálculos bem simples. No futuro, porém, isso pode levar a algumas mudanças tecnológicas bem interessantes!

Agora vamos conversar com Dr. Lee Falin, também conhecido como Everyday Einstein, para aprender mais sobre computadores quânticos...

Lee Falin: A superposição é um dos princípios fundamentais por trás da ideia de computação quântica. O elétron é um objeto comum que usamos como exemplo quando discutimos superposição. Elétrons têm uma propriedade chamada de spin, que pode ser tanto up quanto down. De acordo com a teoria da mecânica quântica, porém, um elétron pode ser não apenas up ou down, como também pode ter um spin que seja qualquer combinação linear desses dois estados. Uma combinação linear é um pouco do estado up e um pouco do estado down.  

Mas as coisas ficam estranhas porque um observador pode ver o elétron com um spin up,  enquanto outro observador pode ver o mesmo elétron com um spin down. O fato de essas diferenças de medidas ocorrerem, mesmo que os dois observadores estejam olhando para o elétron exatamente no mesmo momento, significa que, na mecânica quântica, nós consideramos que o elétron tenha esses dois spins ao mesmo tempo. Chamamos essa propriedade de superposição.

Isso é importante para a computação quântica porque, como disse o Eric, computadores normais usam um bit que pode ser ou 1, ou 0. Então, se você tiver um computador de 8 bits, esse bit pode ter 1 em 28 (ou 256) a qualquer momento. Um computador quântico que faça uso da superposição, porém, pode estar em todos esses 256 estados ao mesmo tempo. Isso significa que, para certos tipos de algoritmos (mas não todos), computadores quânticos poderiam produzir um aumento enorme em sua capacidade computacional.

Por outro lado, como cada um desses qubits podem existir em todos os estados ao mesmo tempo, você pode se perguntar como é possível usar essas caracerísticas para armazenar informações. Para fazer isso, precisamos usar outra propriedade da teoria quântica, chamada de emaranhamento.

O emaranhamento nos diz que duas partículas podem ficar conectadas de modo que, se você medir o estado de uma partícula, você instantaneamente sabe o estado da outra partícula, independentemente da distância entre as duas. Isso tem várias implicações para a computação quântica, e uma das mais importantes é que isso nos permite emaranhar os qubits de nosso computador quântico de modo que, uma vez conhecido o estado de um deles, também conhecemos o estado de todos os outros.  

Se tudo isso parecer um pouco confuso, não se preocupe. Mesmo cientistas que foram fundamentais para o desenvolvimento dessa área não a consideram muito intuitiva. Niels Bohr uma vez declarou que “... aqueles que não ficam chocados quanto encontram a teoria quântica pela primeira vez é porque não a compreenderam”. E Richard Feyman observou: “Acho que posso dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica”.

 
National Science Foundation/Youtube/Science Behind The News: Quantum Computing
 

Até agora, a coisa mais próxima conhecida de um computador quântico é o D-wave, do Google. Esse computador foi adquirido pela gigante da internet para ajudar nos cálculos de certas tarefas, como prevenção e cura de doenças, além de modelos climáticos. Esse link tem um vídeo incrível mostrando como o D-wave funciona [https://www.youtube.com/watch?v=GnXeCFQFRDM, com legendas em português].


Tenha em mente que esse não é um verdadeiro computador quântico. Não vou entrar em detalhes mas, na prática, o D-wave é um cruzamento entre um super computador normal e um computador quântico. A melhor maneira de resumir isso é dizer que o D-wave é um incrível super computador com algumas características quânticas. Também existem milhares de rumores por aí sobre experimentos do governo com o uso de computadores quânticos. Pesquisei sobre o assunto e, no melhor dos casos, todos os relatos de um computador quântico funcional de alta potência são teorias da conspiração.