Computadores quânticos 2: Onde estamos e onde queremos chegar?

IBM Eagle, o processador quântico mais potente do mundo. Fonte: IBM

Computadores Quânticos são a promessa do futuro, diversas são as promessas feitas pela indústria, mas qual a situação atual? O que já temos de concreto e quais são as dificuldades em construir um computador quântico?

Em outubro de 2019, a Google anunciou que a “supremacia quântica” havia sido alcançada. Este termo é usado para se referir a uma máquina quântica que consegue realizar uma tarefa específica de forma inquestionavelmente melhor que um computador clássico.

Na tarefa em questão, o Google Sycamore, um computador quântico com 54 qubits, realizou um cálculo em 200 segundos e segundo o paper da Google, o mesmo cálculo demoraria cerca de 10 mil anos em um supercomputador clássico. Esta alegação foi contestada pela IBM, fabricante do Summit que na época era o computador mais rápido do mundo (atualmente foi ultrapassado pelo Fugaku da empresa Fujitsu) que disse que a mesma tarefa seria feita em 2.5 dias em seu computador.

Um ponto importante é que o Sycamore foi construído para ser uma prova de conceito, isto é, mostrar que a teoria quântica pode oferecer soluções inegavelmente melhores que a computação clássica. Dessa forma ele foi pensado para realizar uma única tarefa de forma eficiente.

Com isto fica claro que computadores quânticos já existem, mas ainda são objetos de pesquisa e precisam de mais avanços tecnológicos. Existem diversos problemas ao tentar construir um computador quântico.

Por exemplo, um ponto crucial é a necessidade de construir sistemas de qubits emaranhados. Estes sistemas são muito sensíveis a perturbações externas, assim, efeitos relacionados a temperatura e flutuações do ambiente podem fazer com que o qubit perca a informação carregada. Para contornar isto, qubit em geral são montados em sistemas de resfriamento com hélio líquido, que chega a temperatura muito próximas ao zero absoluto e são mantidos em câmaras de vácuo.

Mesmo com essas medidas, qubit ainda não são completamente confiáveis, pois uma pequena flutuação pode alterar seu estado. Um qubit usado em algoritmo quântico é na verdade composto por vários qubits físicos para corrigir possíveis erros. O qubit usado na programação quântica é chamado de qubit lógico, para diferenciá-lo do qubit físico que é um componente do sistema, por exemplo, um átomo com spin.

Correção de erros é uma linha de pesquisa importante para a computação quântica pois é algo mais complexo do equivalente para a computação clássica. Na computação clássica para prevenir erros causados por perda de informação, podemos usar redundância, isto é, cópias da mesma informação. Mas no caso quântico, não podemos fazer uma cópia independente de um estado quântico desconhecido sendo algo proibido pela teoria como mostra o chamado teorema no-clonning.

Outro problema dos computadores quânticos reais é a escalabilidade, isto é, é muito difícil construir um sistema de muitos qubits que possa ser usado para algoritmos quânticos e essa dificuldade aumenta conforme o tamanho do sistema. O maior computador quântico da atualidade é o Eagle da IBM que possui 127 qubits.

Além disso, apesar de falarmos da computação quântica como uma única coisa, existem diversas tecnologias concorrentes. Assim como um computador comum usa transistores para construir seus bits, existem diversas possibilidades em como construir um qubit, como: qubits supercondutores, qubits baseados em íons presos, qubits de ressonância magnética e diversos outros. Não sabemos qual dessas tecnologias dominará a indústria e se tornará o novo transistor.

Então de forma realista, talvez ainda demore uma ou duas décadas para que o uso de computadores quânticos se torne algo comum, o que seria muito bem vindo na pesquisa científica, pois poderíamos fazer cálculos muito robustos e simular diversos sistemas complicados!

Referências e Saiba Mais:

[1] Como funciona e do que é capaz um computador quântico - DW Brasil (Canal no YouTube)

[2] Did Google Just Achieve 'Quantum Supremacy'? - Seeker (canal no YouTube)

[3] Quantum computing - Wikipedia

[4] Supremacia Quântica - Nerdologia (canal no YouTube)

[5] The No Cloning Theorem - MinutePhysics (canal no YouTube)