A física quântica governa tudo o que nos rodeia. É possível transformar todo o Universo em um computador quântico, os alienígenas vão notar, e por que essas máquinas são necessárias - Jacob Biamonte, um professor da Skoltech, um dos maiores especialistas neste campo, responde a essas perguntas e conta como ele acabou na Rússia.
Futuro brilhante
“Eu vim para a Rússia pela primeira vez há mais de dez anos, e não para fazer física. Gosto de artes marciais, inclusive sambo, e vim aqui para estudar e trocar experiências. Depois soube que aqui existem todas as condições para fazer ciência avançada, atraindo cientistas de todo o mundo para a cooperação”, diz o cientista.
Hoje ele chefia os laboratórios quânticos Deep, criados há dois anos no âmbito da Skoltech para unir os esforços de físicos, matemáticos, programadores e engenheiros russos e estrangeiros que estudam os problemas associados ao desenvolvimento de sistemas de computação quântica.
“Não lidamos com a prática, mas com todos os aspectos teóricos e de 'software' da computação quântica, e interagimos com experimentadores, incluindo cientistas da Skoltech e especialistas da Moscow State University, RCC e ITMO. Estamos abertos à cooperação e prontos para ajudar qualquer experimentador que estude essas questões”, continua o professor.
O que é um computador quântico? Por sua própria natureza, é radicalmente diferente dos dispositivos de computação clássicos, que permitem operações matemáticas simples ou complexas em números ou conjuntos de dados expressos como zeros e uns.
Nos primos quânticos dos computadores clássicos, cujos princípios foram formulados há mais de 30 anos pelo físico soviético Yuri Manin, a informação é codificada de uma maneira fundamentalmente diferente. As células de memória elementares, os chamados qubits, podem conter não zero ou um, mas todo um espectro de valores no intervalo entre eles.
Vídeo promocional:
Como resultado, o poder de tais computadores cresce exponencialmente: o comportamento de um processador quântico com várias dezenas de qubits não pode ser calculado nem mesmo com a ajuda dos supercomputadores clássicos mais poderosos.
Por muito tempo, essas máquinas permaneceram o assunto da ficção científica e da pesquisa teórica dos físicos, mas nos últimos 15 anos, os cientistas fizeram um grande avanço ao criar qubits e combiná-los em sistemas mais complexos. As versões mais avançadas de computadores quânticos desenvolvidos no Google, IBM e na Universidade de Harvard pelo grupo de Mikhail Lukin contêm de 20 a 50 qubits.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, professor de física do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo.
Apesar desses avanços, os desenvolvedores dessas máquinas assumem que sistemas de computação completos, capazes de resolver qualquer problema, não aparecerão em breve, em 10-20 anos. Curiosamente, essa estimativa não mudou desde o final da década de 1990, mas alguns novos problemas surgem constantemente, cada vez colocando de lado o "futuro quântico brilhante" que nunca chega.
Como Biamonte observou em suas populares conferências científicas, ele assume uma posição especial: em sua opinião, os sistemas de computação quântica "úteis" aparecerão muito antes, mas não serão de forma alguma o que o público em geral e a mídia os imaginam.
“Hoje existe um grande problema na física, que é ao mesmo tempo sua principal vantagem. Os experimentadores executam tudo. Por alguma razão, eles pensam que os experimentos são mais importantes para a ciência do que a teoria. Graças ao dinheiro investido nessa área, a física teórica foi praticamente destruída”, diz Biamonte.
O próprio professor refere-se a si mesmo como um representante da física teórica clássica, cujas ideias dominaram a ciência há um século, nos primeiros estágios do nascimento da mecânica quântica e da moderna física de Einstein. Nas últimas décadas, pessoas como ele tiveram que se mudar para departamentos de matemática, onde se sentem muito mais confortáveis.
“Os experimentadores, incluindo os criadores de computadores quânticos, se preocupam apenas com seus próprios projetos. Com algumas exceções, eles não estão interessados no que se sabe sobre a capacidade de tais dispositivos em geral. Isso afeta a mentalidade e faz com que façam avaliações não racionais, mas emocionais”, explica a pesquisadora.
Por exemplo, ainda não há uma única evidência clara de que os computadores quânticos podem superar seus equivalentes clássicos em velocidade de computação. Ao mesmo tempo, especifica Biamonte, se generalizarmos todos os modelos simplificados que demonstrem alguns aspectos dessa superioridade, obteremos evidências bastante convincentes a favor da superioridade das calculadoras quânticas.
“Por um lado, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin e outros líderes neste campo estão certos: um computador quântico realmente não virá em breve. Por outro lado, estamos falando de máquinas universais capazes de corrigir os próprios erros”, observa o físico.
A falta dessa capacidade em um computador, enfatiza Biamonte, não o torna absolutamente inútil ou inferior.
Máquina de adição atômica
“Existem inúmeros exemplos de vários sistemas quânticos na natureza que não têm essa capacidade. Seu comportamento é muito difícil de calcular usando computadores comuns. Portanto, a criação de um sistema quântico que simule esses processos nos permitirá fazer os cálculos adequados e obter algo útil”, afirma o cientista.
Essa ideia está longe de ser nova - foi expressa pelo famoso físico americano Richard Feynman apenas dois anos após a publicação dos primeiros artigos de Manin. Como observou Biamonte, os experimentadores têm desenvolvido ativamente tais sistemas nos últimos anos, e os teóricos estão pensando onde eles podem ser aplicados.
Esses dispositivos de computação analógica, os chamados computadores adiabáticos, ou "recozimento" no jargão dos físicos, não precisam usar efeitos quânticos - para muitos problemas, as interações clássicas entre os átomos são suficientes.
“Existem três tipos de computadores desse tipo - máquinas de recozimento clássicas, suas contrapartes com aceleração quântica e processadores quânticos completos baseados em portas lógicas quânticas. Estes últimos foram criados nos laboratórios da IBM, o primeiro - na Fujitsu, o segundo - no D-Wave”, afirma o cientista.
Biamonte e seus colegas Skoltech estão mais interessados em máquinas de terceira classe. Esses dispositivos, disse ele, são bastante difíceis de criar, mas podem ser usados para resolver os problemas de otimização mais complexos: do aprendizado de máquina ao desenvolvimento de novos medicamentos.
“Essas máquinas são muito interessantes, mas os primeiros aparelhos reais desse tipo só aparecerão em alguns anos. Por outro lado, é possível criar recozedores clássicos e quânticos agora. E agora, na prática, eles continuam sendo os mais úteis dos computadores quânticos”, acrescenta Biamonte.
Muitos processos da física de partículas, continua o pesquisador, são programados pela natureza para que se otimizem, buscando atingir um mínimo de energia. Conseqüentemente, se aprendermos a controlar esses processos, podemos fazer um conjunto de átomos ou alguns outros objetos fazerem esses cálculos para nós.
“Por que desperdiçar uma grande quantidade de tempo de CPU em tal otimização, se isso pode ser feito por um dispositivo de recozimento clássico ou um dispositivo quântico semelhante ao D-Wave? Falando figurativamente, por que, ao estudar o vento, usar um túnel de vento virtual, se já temos um real? Muitas empresas russas estão pensando nisso e estamos cooperando ativamente com elas”, enfatiza o cientista.
A conclusão bem-sucedida desses experimentos abrirá o caminho para o desenvolvimento de agentes de recozimento quântico, nos quais os princípios da física quântica são usados para acelerar as interações entre átomos e outras partículas. Claro, algumas tarefas científicas não estarão disponíveis para eles, mas eles serão capazes de resolver muitos problemas do dia a dia, como otimização de tráfego ou gerenciamento de portfólio de ações.
A maioria dos observadores, observa o professor da Skoltech, acredita que o Google vencerá na corrida quântica. Biamonte discorda disso: os representantes da empresa californiana gostam muito de falar sobre seus sucessos, mas quase nunca publicam artigos científicos e não revelam os segredos do dispositivo de suas máquinas quânticas.
Em sua opinião, os engenheiros da IBM estão mais próximos do objetivo - os computadores desta empresa realmente funcionam e podem ser verificados a qualquer momento por meio de sistemas especiais em nuvem. Mas a escala ainda é bastante limitada e essas máquinas ainda não podem ser usadas para resolver problemas complexos.
Galáxias pensando
Se esses sistemas "sérios" forem criados em um futuro próximo, surge uma questão natural: de que podem ser feitos, que tamanho podem atingir e como afetarão nossa vida?
De acordo com o próprio Biamonte, não existem limitações físicas fundamentais para computadores quânticos (ou dispositivos de recozimento) com milhões de qubits. Por outro lado, é completamente incompreensível quantos qubits existirão na realidade, uma vez que estamos agora nos estágios iniciais do desenvolvimento das tecnologias quânticas.
“Até o momento, estamos tentando adaptar as tecnologias já disponíveis na indústria eletrônica para trabalhar com computadores quânticos. No entanto, ninguém tem certeza de que esse é o caminho certo. Existem sistemas que são muito mais adequados para construir máquinas quânticas. Eles são, porém, muito mais difíceis de gerenciar”, explica o cientista.
Por exemplo, defeitos especiais dentro dos diamantes são quase tão isolados do mundo externo quanto átomos isolados no vácuo do espaço. Ainda não está claro quantos desses pontos cabem em um diamante e quão próximos podem estar um do outro sem interferir no trabalho dos vizinhos. A resposta a essas perguntas determina se os diamantes serão usados em computadores quânticos.
Máquinas quânticas realmente grandes, como observou o professor Skoltech, resolverão não apenas problemas práticos relacionados à vida humana cotidiana, mas também os quebra-cabeças científicos mais interessantes.
Talvez eles revelem a natureza quântica da gravidade e testem as teorias de Biamonte sobre a simetria do tempo, observando se eles ficam particularmente perturbados ao tentar quebrar essa simetria ou inverter o tempo ao realizar cálculos nessas máquinas.
Quando a humanidade tiver enfrentado essas tarefas, o que a ciência fará a seguir? Essa questão, diz Biamonte, está paradoxalmente relacionada à busca por vida extraterrestre e como representantes de civilizações alienígenas podem sinalizar sua existência.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte e seus colegas do Deep Quantum Labs.
“Imagine que vamos subjugar toda a energia e poder do universo. O que vamos fazer primeiro? Claro, podemos nos destruir, mas há um cenário mais interessante. Por exemplo, teremos a oportunidade de acelerar o movimento da Terra a velocidades ultra-altas e deixar um computador em órbita”, diz o físico.
De acordo com a teoria da relatividade, o tempo no planeta diminuirá. Se passarmos dezenas de anos nesse estado, uma máquina de computação quântica ou um computador comum no “mundo externo” funcionará por vários milênios. Além disso, este não é necessariamente um computador feito pelo homem, seu papel pode ser desempenhado por vários objetos espaciais - nuvens gigantes de gás, por exemplo.
“Quantas vezes você pode fazer isso? Não há limite explícito para tal "aceleração de cálculos", mas todos sabemos que o Universo tardio não será um lugar muito interessante para nós. As estrelas vão começar a desaparecer gradualmente e as galáxias vão ficar invisíveis umas para as outras devido à expansão do universo”, observa o professor.
Reflexões semelhantes levantam uma questão natural: se a humanidade pode fazer isso, o que impede os alienígenas de fazerem o mesmo? Conseqüentemente, alguns traços de tal computação quântica "espacial" ou de suas contrapartes clássicas devem estar presentes no espaço. O que indicaria isso, os gigantescos computadores quânticos de alienígenas?
“Não posso dar uma resposta exata à questão do que poderia ser ou sugerir como procurá-los. Ao mesmo tempo, a existência de tais "calculadores universais" parece-me muito mais provável do que o surgimento espontâneo de "planetas inteligentes" e outros objetos cósmicos capazes de ter consciência de si mesmos, o que é frequentemente discutido por filósofos "quânticos"”, conclui Biamonte.
