Computador quântico

Um computador quântico é uma máquina capaz de manipular informação armazenada em sistemas quânticos, como spins dos elétrons (campo magnético dos elétrons), níveis de energia dos átomos e, até mesmo, polarização de fótons. Nesses computadores, as unidades fundamentais de informação, chamadas “quantum bits” (em português, bits quânticos), são usadas com o intuito de resolver cálculos ou simulações que levariam tempos de processamento impraticáveis em computadores eletrônicos, como os usados atualmente.

Alguns computadores quânticos poderão utilizar os fótons da luz como bits quânticos.

Os computadores quânticos funcionam com uma lógica bastante diferente daquela presente nos computadores clássicos: os bits quânticos podem apresentar, simultaneamente, os valores 0 e 1, em decorrência de um fenômeno quântico chamado superposição quântica. Esses valores representam o código binário dos computadores e são, de certa forma, a língua compreendida pelas máquinas.

Os computadores quânticos têm-se mostrado a mais nova resposta da Física e da Computação aos problemas relacionados ao potencial limitado dos computadores eletrônicos. A velocidade de processamento e a capacidade desses computadores estão intimamente relacionadas ao tamanho de seus componentes. Dessa forma, sua miniaturização é um processo inevitável.

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O limite dos computadores eletrônicos

Em 1965, o químico estadunidense Gordon Earle Moore fez uma previsão de que, a cada 18 meses, o número de transistores empregado nos chips eletrônicos aumentaria em aproximadamente 100%. No ano de 2017, a empresa de tecnologia norte-americana IBM conseguiu produzir um chip do tamanho de uma unha, com aproximadamente 30 bilhões de transistores de 5 nm (1 nanômetro = 10^-9 m). Com isso, a empresa mostrou que, mesmo não sendo muita precisa, a previsão de Moore continua válida até os dias de hoje, mas alcançará seu limite mais cedo do que imaginávamos.

Os circuitos integrados como os da foto são feitos de transistores, que estão presentes em processadores, calculadoras, aparelhos celulares, etc.

O problema começa quando não é mais possível diminuir um dos menores e mais importantes componentes dos processadores, o transistor. É nesse pequeno dispositivo que toda a informação é lida, interpretada e processada. Ao lidarmos com escalas muito diminutas, a exemplo das distâncias interatômicas, a Física deixa de ser tão previsível como é nos sistemas macroscópicos, passando a comportar-se randomicamente, de forma probabilística, sujeitando-se às propriedades da Física Quântica.

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Para que serve um computador quântico?

Os computadores quânticos, definitivamente, não servirão para os mesmos fins que os computadores clássicos, por isso não devemos esperar ou nos preocupar com a descontinuação das tecnologias usadas atualmente. Um dos possíveis usos dos computadores quânticos é a fatoração de grandes números, a fim de se descobrirem novos números primos. Mesmo para os mais potentes supercomputadores atuais, essa é uma difícil tarefa que demanda muito tempo. Teoricamente, os computadores quânticos poderiam executá-la muito mais rapidamente.

Grandes números primos, com 128 ou até 256 dígitos, são utilizados para criptografar senhas de banco, logins e senhas de e-mail, com o intuito de impedir que alguém os intercepte e consiga decifrar seu conteúdo.

Teoricamente, esses computadores são bons em trabalhar com muitas variáveis simultaneamente, diferente dos computadores atuais, que apresentam muitas limitações para a realização desse tipo de tarefa. Dessa forma, é esperado que computadores quânticos possam ser usados para simular sistemas extremamente complexos, como sistemas biológicos, meteorológicos, astronômicos, moleculares, etc.

Um computador clássico que lê três bits pode fornecer uma possibilidade de combinação, enquanto o computador quântico pode apresentar até oito possibilidades.

A “facilidade” dos computadores quânticos em lidar com sistemas complexos está relacionada com a natureza dos bits quânticos: enquanto um bit eletrônico só pode assumir o valor 0 ou 1, os bits quânticos podem apresentar os dois valores ao mesmo tempo. Dessa forma, um único bit quântico tem uma equivalência numérica de 2 bits eletrônicos. Não parece muita coisa, mas, com apenas 10 bits quânticos, produziríamos um computador com uma capacidade de 1024 bits (2¹⁰ = 1024), enquanto a maioria dos computadores caseiros de hoje funcionam com sistemas de 64 bits.

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Quais as limitações de um computador quântico?

Apesar de representarem um salto significativo em relação aos computadores clássicos, os computadores quânticos também têm suas limitações. O comportamento quântico dos bits só é atingido em condições muito sensíveis. Assim, é necessário mantê-los em temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto, usando sofisticados sistemas de refrigeração a nitrogênio ou a hélio líquido. Quaisquer variações nessas condições de temperatura, por menores que sejam, podem prejudicar ou, até mesmo, interromper seu bom funcionamento.

Outros fatores, como campos magnéticos externos e ondas eletromagnéticas emitidas por dispositivos próximos, podem interferir no comportamento quântico de partículas extremamente sensíveis usadas para armazenar a informação, como elétrons e átomos.

O computador quântico D-Wave

Fundada em 1999, a empresa canadense D-Wave alega ter produzido o primeiro computador quântico comercial. Em 2017, a empresa colocou à venda um computador quântico de nome 2000Q, que, supostamente, apresenta incríveis 2000 bits quânticos. Para adquiri-lo, entretanto, é necessário desembolsar algo entre 15 milhões de dólares.

Essa empresa divide as opiniões da comunidade científica, pois há grupos de físicos e cientistas da computação que acreditam que a máquina não seja 100% quântica, mas sim um computador híbrido capaz de utilizar bits quânticos e eletrônicos simultaneamente.