Computadores quânticos: entenda o que são e como funcionam!

Você já se pegou pensando, durante uma aula, qual é a aplicação prática de assuntos complexos como a física quântica? Embora muitas pessoas possam achar difícil que ela renda soluções práticas, a verdade é que o mundo da computação a leva muito a sério.

É o caso dos computadores quânticos, um avanço tecnológico que tem sido estudado por algumas das maiores empresas do setor — e que envolve, justamente, aquele ramo da física. A ideia é desenvolver supermáquinas, com capacidade bastante otimizada de cálculos e realização de tarefas em relação aos modelos tradicionais.

Neste post, falaremos tudo sobre o conceito, as vantagens e as limitações. Você lerá sobre:

• O que é a computação quântica
• Como surgiu essa ideia?
• Como funciona um computador quântico?
• Quais as possibilidades e limitações dos computadores quânticos?

O que é computação quântica?

Os bits são as unidades básicas de informação, presentes na computação clássica. Já a tecnologia quântica tem como base os qbits (ou qubits).

Enquanto o bit assume apenas os valores 1 ou 0, em uma estrutura binária, o segundo pode assumir um dos dois ou até mesmo uma combinação deles, o que leva a um desempenho considerável de desempenho por parte das máquinas.

Desse modo, a computação quântica é o resultado da aplicação dos qbits, desenvolvidos diretamente desse ramo da física. Uma máquina do tipo consegue realizar um número superior de cálculos e lidar com problemas que são insolúveis para os computadores atuais.

Quando uma pessoa dá um comando qualquer a um computador, a ação é interpretada pela máquina como uma sequência contendo zeros e uns. Quando o comando recebido é 1, é sinal de que haverá um fluxo de elétrons. Caso seja 0, nenhum elétron deve passar por ali. Os bits funcionam por meio dessas coordenadas.

Enquanto a computação tradicional obedece a essa lógica binária, a versão quântica opera de modo diferente. Os qubits podem estar nos dois estados ao mesmo tempo, uma habilidade conhecida como superposição.

Como surgiu essa ideia?

A computação quântica começou a tomar forma no início da década de 1980, quando um físico de renome, Paul Benioff, apresentou um modelo inspirado em uma máquina desenvolvida por Alan Turing, considerado por muitos o pai da ciência da computação.

Pouco tempo depois, a ideia passou a ser discutida por outro estudioso, Richard Feynman, vencedor do Nobel de Física. Já em 1994, Peter Shor criou um algoritmo quântico, destinado a faturar números inteiros. Esse modelo tinha a capacidade de descriptografar mensagens codificadas.

Contudo, um dos passos definitivos para a aplicação desse modelo de computação ocorreu bem recentemente. Em 23 de outubro de 2019, o Google, em parceria com a NASA, publicou um artigo no qual afirmava ter alcançado a chamada supremacia quântica.

Isso porque os desenvolvedores das duas empresas conseguiram criar uma máquina capaz de realizar, em 200 segundos, um cálculo que o até então computador mais avançado do mundo (o Summit, da IBM) só seria capaz de fazer em 10 mil anos. Assim, podemos dizer que é só uma questão de tempo para que a física quântica esteja presente de forma acessível no mercado.

Como funcionam os computadores quânticos?

Os computadores quânticos, ao contrário dos modelos tradicionais, não se baseiam em transistores — dispositivos semicondutores de energia elétrica. A tecnologia opera, de modo geral, por meio da leitura de spin, uma propriedade quântica presente nas partículas.

Além disso, a lógica por trás dos modelos quânticos também é ligeiramente diferente. Devido à natureza probabilística da física, que transcende a barreira binária, ela prevê alguns comportamentos das partículas que vão bem além das respostas como “sim” ou “não” ou “verdadeiro” e “falso”.

O qubit, que mencionamos anteriormente, é bastante diferente do bit. Isso porque ele é uma partícula de nível subatômico — enquanto o bit é representado por impulsos elétricos ou ópticos.

E qual é o efeito prático dessas distinções? Como resultado da superposição, um computador quântico consegue reduzir significativamente o tempo gasto para a conclusão de uma tarefa, já que ele tem um poder bem maior para analisar diferentes combinações de resultados. E o melhor: tudo isso ocorre de forma simultânea.

Quais as possibilidades e limitações dos computadores quânticos?

Outra particularidade marcante da física quântica, que se manifesta por meio de desempenho inigualável nos computadores (como na capacidade para realizar cálculos de forma bem mais rápida) é o chamado entrelaçamento. Essa característica possibilita que duas partículas interligadas se comportem de maneira semelhante, mesmo que estejam separadas por longas distâncias.

O resultado é bastante interessante: quando o estado de uma partícula é modificado, isso também acontecerá com a outra. Em termos práticos, essa característica garante um desempenho inigualável. Já nos computadores tradicionais, quanto o número de bits é dobrado, a performance também se eleva, mas não em uma escala comparável à dos qubits.

Limitações

Mas o que impede que os computadores quânticos já estejam disponíveis para otimizar os negócios e elevar o desempenho computacional das máquinas de mesa? Um dos problemas é que os qubits ainda operam de uma forma bastante delicada, o que resulta em erros frequentes.

Mencionamos a capacidade dos qubits de fugir da lógica binária: seu estado quântico dura por apenas um mero instante. Em menos de um segundo, seu funcionamento pode ser interrompido com facilidade, devido a uma série de fatores, como variações na temperatura ou até mesmo vibrações leves.

Isso resulta em erros nos cálculos e resultados pouco confiáveis. Mesmo que essa questão seja resolvida em breve, outros obstáculos ainda estão no caminho das grandes empresas que têm financiado estudos na computação quântica, como a Google a IBM.

Podemos mencionar, também, que as máquinas quânticas ainda não se encaixam na classificação de computadores de propósito geral, como os nossos queridos PCs de mesa. O Sycamore, da Google, por exemplo, tem sido aplicado em tarefas bastante pontuais, atendendo a demandas específicas.

Desse modo, podemos dizer que a computação quântica é bastante promissora, principalmente por levar em consideração um conceito que já vem sendo explorado com afinco por estudiosos de diversas áreas — de vencedores do Nobel a grandes cientistas da computação. No entanto, é preciso ter paciência, já que essas máquinas ainda estão longe de poderem ser utilizadas por todo mundo.

O mais importante é a capacidade que esses computadores quânticos têm de driblar a lógica binária, oferecendo diversas funcionalidades tanto para empresas quanto para pessoas físicas. Por mais que muitos retoques ainda sejam necessárias, o modelo quântico tem tudo para se tornar um dos principais pilares da transformação digital nessa década.

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