Como computadores quânticos resolverão problemas impossíveis

Imagine um poder de computação tão vasto que pode quebrar códigos de criptografia num piscar de olhos, simular reações químicas complexas com precisão inacreditável e revolucionar campos como medicina, finanças e inteligência artificial! Este é o mundo da computação quântica — um mundo onde as leis da física e os limites da tecnologia são empurrados para seus limites mais longínquos. Agora, prepare-se para descobri-lo. Mas antes de vermos como difere da computação clássica, temos que mergulhar na parte “quântica” dela.

Computadores quânticos trabalham em duas ideias muito importantes da mecânica quântica: emaranhamento e superposição. Estas duas coisas são os princípios subjacentes que permitem aos computadores quânticos realizar certos tipos de cálculos que os computadores clássicos não conseguem. O que é isso?

Vamos começar com o emaranhamento. É um fenômeno onde duas partículas podem ficar tão intimamente ligadas que o estado de uma depende do estado da outra.
Imagine que você tem um par de dados mágicos. Estes dados mágicos são meio conectados — eles sempre sabem que número cai no outro dado, e então mostram o mesmo número. Não importa o quão longe você os deixe, os números neles serão sempre os mesmos. Como isso é possível? Quem sabe?! É mágico.
Isso é basicamente um emaranhamento na física quântica. Só que neste caso não estamos falando de ossos mágicos, mas de partículas. Podemos levar uma partícula a Marte e deixar a outra na Terra — mas de alguma forma uma partícula sempre saberá o que está acontecendo com a outra e mudará dependendo dela. Isto significa que se você medir uma partícula, saberá instantaneamente o estado da outra partícula, independentemente da distância entre elas.

Einstein famosamente chamou isso de “ação assustadora à distância”. Mas os cientistas foram capazes de demonstrar este efeito em experiências do mundo real. E os recentes ganhadores do Prêmio Nobel de 2022 provaram que não há erro nos experimentos, e não podemos explicar este fenômeno pela física clássica.

Agora vamos discutir a superposição. Superposição é a capacidade de um sistema quântico de estar em múltiplos estados ao mesmo tempo até que seja medido. Imagine que você está jogando um jogo de pedra-papel-tesoura com um amigo. Na física clássica, o resultado de cada rodada só pode ser pedra, papel ou tesoura. Mas na física quântica, as coisas podem existir em vários estados ao mesmo tempo. Assim, em um jogo quântico de pedra-papel-tesoura, sua mão pode estar em uma superposição de ser pedra, papel e tesoura, tudo ao mesmo tempo! E é somente quando você realmente faz um movimento e seu amigo o vê que a mão “escolhe” seu estado. Que loucura, não é mesmo?

Você deve se lembrar da famosa experiência do gato de Schrödinger. O gato em uma caixa estava no estado de superposição: ele poderia estar vivo e morto ao mesmo tempo até que a caixa fosse aberta e observássemos o resultado. (Não se preocupe, era um experimento de pensamento; o gato está bem).
Estes dois princípios da computação quântica permitem uma forma completamente nova de computação. Ela tem o potencial de revolucionar a maneira como processamos e armazenamos informações. Por exemplo, a computação clássica utiliza bits (isto é, UNs e ZEROs) para representar e manipular dados. Tudo dentro do computador — as mensagens que você escreve, os programas que você abre e até mesmo este artigo — basicamente representam fluxos MUITO LONGOS de zeros e uns. Um bit é sempre um 0 ou 1.
É como um interruptor de luz que está ligado ou desligado. Mas na computação quântica, usamos qubits. Eles estão no estado de superposição — em outras palavras, podem existir em vários estados ao mesmo tempo. É como se o interruptor de luz pudesse ligar, desligar, e tudo o que está entre eles ao mesmo tempo!

Agora, imagine que você tem este qubit que está em superposição. E então você emaranhe esse qubit com outro qubit. E assim como com nossos dados mágicos, agora o estado de um qubit depende do estado do outro. Para simplificar, a superposição permite que nossos dados existam em múltiplos estados ao mesmo tempo, e o emaranhamento permite que múltiplos dados trabalhem juntos em todos esses estados! Dá pra imaginar as coisas que um computador assim poderia fazer? Isso está muito além da nossa computação clássica! É como ter um gênio mágico que satisfaz todos os seus desejos ao mesmo tempo, instantaneamente. E é por isso que a computação quântica é tão empolgante.

Estes computadores também têm os chamados “algoritmos quânticos”, que são conjuntos de instruções que você dá ao computador para que ele possa realizar algumas tarefas específicas. As mais importantes são o algoritmo de Shor, o algoritmo de Grover, o aprendizado de máquina quântico e assim por diante. Uau, Grover tem seu próprio algoritmo?

Tomemos o algoritmo de Shor, por exemplo. Esta coisa é um divisor de águas quando se trata de quebrar códigos de criptografia. Imagine que você é um espião tentando quebrar uma mensagem secreta, mas o código é tão forte que um computador clássico levaria MILHÕES de anos para decifrá-lo. Mas espere, você tem uma arma secreta: um computador quântico! Basta usar a superposição para experimentar todas as combinações possíveis ao mesmo tempo! É como ter um anel decodificador mágico que pode desvendar os segredos do universo em pouco tempo.

Quanto ao algoritmo de Grover, é como ter um motor de busca superpotente. Imagine que você está tentando encontrar uma agulha em um palheiro, mas este palheiro é tão grande que um computador clássico levaria uma eternidade para pesquisar através dele. Mas com o algoritmo de Grover, um computador quântico é como ter um Google superpotente que pode encontrar a resposta para qualquer pergunta em segundos! Ele vai encontrar sua agulha muito mais rápido do que um computador normal. Poderíamos também usar isto para criar simulações complexas. Isto realmente nos ajudaria a fazer avanços científicos.

Por exemplo, imagine que você seja um cientista tentando entender uma reação química complexa. Mas esta reação é muito difícil de ser simulada em um computador clássico. Há tantos números e variáveis e outras coisas! Bem, aí vem um computador quântico. Basta usar a superposição e o emaranhamento para simular a reação de forma muito mais precisa. E estes algoritmos são apenas a ponta do iceberg! (Cuidado, Titanic!)
Os computadores quânticos podem processar e analisar grandes quantidades de dados muito mais rapidamente do que qualquer computador clássico jamais faria. Poderíamos potencialmente resolver problemas que antes se pensava serem impossíveis!
Também poderíamos combiná-lo com nossas outras conquistas — como a inteligência artificial. Os algoritmos quânticos poderiam ajudar os sistemas de inteligência artificial a aprender muito mais rápido. Poderíamos ter um monte de coisas legais, desde veículos autônomos até chatbots inteligentes!

Agora, a melhor parte é — já temos um par de computadores quânticos de verdade! Eles até são capazes de fazer algumas tarefas. Mas, é claro, ainda estão longe de serem modelos totalmente operacionais. Há alguns desafios enormes na computação quântica que ainda temos que superar. Um dos principais desafios é o número de qubits. Quanto mais qubits você tiver, mais poderoso será seu computador quântico. Entretanto, quanto mais qubits tivermos, mais difícil será controlá-los e estabilizá-los. Isto pode levar a erros e diminuir o desempenho. Podemos resolver este problema usando técnicas mais avançadas de correção de erros.
Outra questão é o tempo de coerência. “Tempo de coerência” é basicamente o tempo que um computador quântico pode manter suas superposições sem que elas sejam perturbadas. Quanto mais longo ele for, mais cálculos o computador pode fazer. Mas, neste momento, o tempo de coerência é bastante curto e os cientistas estão tentando encontrar novas maneiras de torná-lo mais longo.

Mas apesar destes desafios, fizemos muitos progressos nos últimos anos. Empresas como Google, IBM, e Rigetti construíram processadores quânticos com dezenas de qubits. Tem até mesmo alguns poucos processadores com mais de 100 qubits! E recentemente no Japão, começaram a vender os primeiros computadores quânticos para o usuário médio! Se trata de pequenos computadores quânticos, cada um com 2 ou 3 qubits. Mas ainda é um grande avanço. E mesmo que esta tecnologia ainda seja nova, o potencial da computação quântica é vasto. Os cientistas acreditam que os computadores quânticos logo serão capazes de resolver problemas que são atualmente impossíveis para os computadores clássicos, levando a avanços em todas as áreas da vida. É o futuro e estamos apenas arranhando a superfície do que é possível. Então, vamos mergulhar mais fundo e descobrir o desconhecido juntos!