A corrida está a todo vapor. As principais empresas do mundo estão tentando criar o primeiro computador quântico, baseado em tecnologia que há muito promete aos cientistas ajudar a desenvolver novos materiais maravilhosos, criptografia de dados perfeita e prever com precisão as mudanças no clima da Terra. Essa máquina provavelmente não aparecerá antes de dez anos a partir de agora, mas isso não impede a IBM, Microsoft, Google, Intel e outros. Eles literalmente juntam bits quânticos - ou qubits - em um chip processador, literalmente. Mas o caminho para a computação quântica envolve muito mais do que manipular partículas subatômicas.
Um qubit pode representar 0 e 1 ao mesmo tempo, graças ao fenômeno quântico único de superposição. Isso permite que os qubits realizem uma grande quantidade de cálculos ao mesmo tempo, aumentando muito a velocidade e a capacidade computacional. Mas existem diferentes tipos de qubits, e nem todos são criados iguais. Em um chip quântico de silício programável, por exemplo, o valor de um bit (1 ou 0) é determinado pela direção de rotação de seu elétron. No entanto, os qubits são extremamente frágeis e alguns precisam de temperaturas de até 20 milikelvins - 250 vezes mais frios do que no espaço profundo - para permanecer estáveis.
Claro, um computador quântico não é apenas um processador. Esses sistemas de próxima geração exigirão novos algoritmos, novos softwares, conexões e um monte de tecnologias ainda a serem inventadas que se beneficiam do poder de computação colossal. Além disso, os resultados dos cálculos precisarão ser armazenados em algum lugar.
"Se não tivesse sido tão difícil, já teríamos feito um", diz Jim Clark, diretor de hardware quântico da Intel Labs. Na CES deste ano, a Intel revelou um processador de 49 qubit, codinome Tangle Lake. Há alguns anos, a empresa criou um ambiente virtual para testar software quântico; ele usa o poderoso supercomputador Stampede (na Universidade do Texas) para simular um processador de 42 qubit. No entanto, para realmente entender como escrever software para computadores quânticos requer simular centenas ou mesmo milhares de qubits, diz Clarke.
A Scientific American entrevistou Clarke sobre as diferentes abordagens para construir um computador quântico, por que eles são tão frágeis e por que a coisa toda demora tanto. Será interessante para você.
Como a computação quântica é diferente da computação tradicional?
Vídeo promocional:
Uma metáfora comum usada para comparar os dois tipos de cálculos é uma moeda. Em um processador de computador tradicional, o transistor é cara ou coroa. Mas se você perguntar para que lado a moeda está voltada quando está girando, você dirá que a resposta pode ser as duas coisas. É assim que a computação quântica funciona. Em vez dos bits usuais que representam 0 ou 1, você tem um bit quântico que representa 0 e 1 ao mesmo tempo até que o qubit pare de girar e entre em um estado de repouso.
O espaço de estados - ou a capacidade de iterar sobre um grande número de combinações possíveis - é exponencial no caso de um computador quântico. Imagine que tenho duas moedas na mão e as jogo para o alto ao mesmo tempo. Conforme eles giram, eles representam quatro estados possíveis. Se eu jogar três moedas no ar, elas representam oito estados possíveis. Se eu jogar cinquenta moedas no ar e perguntar quantos estados elas representam, a resposta é um número que nem mesmo o mais poderoso supercomputador do mundo pode calcular. Trezentas moedas - ainda um número relativamente pequeno - representarão mais estados do que átomos no universo.
Por que os qubits são tão frágeis?
A realidade é que moedas, ou qubits, eventualmente param de girar e entram em um certo estado, seja cara ou coroa. O objetivo da computação quântica é mantê-lo girando em superposição em um conjunto de estados por um longo tempo. Imagine que uma moeda está girando na minha mesa e alguém está empurrando a mesa. A moeda pode cair mais rápido. Ruído, mudanças de temperatura, flutuações elétricas ou vibração podem interferir na operação do qubit e levar à perda de seus dados. Uma maneira de estabilizar certos tipos de qubits é mantê-los frios. Nossos qubits funcionam em uma geladeira do tamanho de um barril de 55 galões e usam um isótopo especial de hélio para resfriá-los até quase o zero absoluto.
Como os diferentes tipos de qubits diferem uns dos outros?
Existem nada menos que seis ou sete tipos diferentes de qubits, e cerca de três ou quatro deles estão sendo ativamente considerados para uso em computadores quânticos. A diferença é como manipular os qubits e fazer com que eles se comuniquem entre si. Você precisa de dois qubits para se comunicarem entre si para realizar grandes cálculos "emaranhados", e diferentes tipos de qubits ficam emaranhados de maneiras diferentes. O tipo que descrevi que requer resfriamento extremo é chamado de sistema supercondutor, que inclui nosso processador Tangle Lake e computadores quânticos construídos pelo Google, IBM e outros. Outras abordagens usam cargas oscilantes de íons aprisionados - mantidos no lugar em uma câmara de vácuo por feixes de laser - que agem como qubits. A Intel não desenvolve sistemas de íons aprisionados porque requer conhecimento profundo de lasers e óptica,não podemos fazer isso.
No entanto, estamos estudando um terceiro tipo, que chamamos de qubits de spin de silício. Eles se parecem exatamente com os transistores de silício tradicionais, mas operam com um único elétron. Os qubits de spin usam pulsos de micro-ondas para controlar o spin de um elétron e liberar sua força quântica. Essa tecnologia é menos madura hoje do que a tecnologia supercondutora de qubit, mas é indiscutivelmente muito mais provável de escalar e se tornar um sucesso comercial.
Como chegar a este ponto a partir daqui?
O primeiro passo é fazer esses chips quânticos. Ao mesmo tempo, realizamos simulações em um supercomputador. Para rodar o simulador quântico da Intel, são necessários cerca de cinco trilhões de transistores para simular 42 qubits. Demora um milhão de qubits ou mais para atingir o alcance comercial, mas começar com um simulador como este pode construir a arquitetura básica, compiladores e algoritmos. Até que tenhamos sistemas físicos que incluirão de algumas centenas a milhares de qubits, não está claro que tipo de software podemos rodar neles. Existem duas maneiras de aumentar o tamanho de tal sistema: uma é adicionar mais qubits, o que exigirá mais espaço físico. O problema é que, se nosso objetivo é construir computadores com um milhão de qubits, a matemática não os permitirá escalar bem. Outra forma é comprimir as dimensões internas do circuito integrado, mas essa abordagem exigiria um sistema supercondutor, que deve ser enorme. Os qubits de spin são um milhão de vezes menores, então estamos procurando outras soluções.
Além disso, queremos melhorar a qualidade dos qubits, o que nos ajudará a testar algoritmos e construir nosso sistema. Qualidade refere-se à precisão com que as informações são comunicadas ao longo do tempo. Embora muitas partes desse sistema melhorem a qualidade, os maiores ganhos virão do desenvolvimento de novos materiais e do aprimoramento da precisão dos pulsos de microondas e outros componentes eletrônicos de controle.
Recentemente, o Subcomitê de Comércio Digital e Proteção ao Consumidor dos Estados Unidos realizou uma audiência sobre computação quântica. O que os legisladores querem saber sobre essa tecnologia?
Existem várias audiências associadas a diferentes comissões. Se tomarmos a computação quântica, podemos dizer que essas são tecnologias de computação para os próximos 100 anos. É natural que os Estados Unidos e outros governos se interessem por sua oportunidade. A União Europeia tem um plano de bilhões de dólares para financiar a pesquisa quântica em toda a Europa. A China anunciou no outono passado uma base de pesquisa de US $ 10 bilhões que se concentrará em informática quântica. A questão é: o que podemos fazer como país em nível nacional? Uma estratégia nacional para computação quântica deve ser administrada por universidades, governo e indústria, trabalhando juntos em diferentes aspectos da tecnologia. Os padrões são definitivamente necessários em termos de comunicação ou arquitetura de software. O trabalho também é um problema. Agora, se eu abrir uma vaga para um especialista em computação quântica, provavelmente dois terços dos candidatos estarão fora dos Estados Unidos.
Que impacto a computação quântica pode ter no desenvolvimento da inteligência artificial?
Normalmente, os primeiros algoritmos quânticos propostos se concentrarão na segurança (por exemplo, criptográfica) ou química e modelagem de materiais. Esses são problemas fundamentalmente insolúveis para os computadores tradicionais. No entanto, existem inúmeras startups e grupos de cientistas trabalhando em aprendizado de máquina e IA com a introdução de computadores quânticos, mesmo teóricos. Dado o tempo necessário para o desenvolvimento de IA, eu esperaria chips tradicionais otimizados especificamente para algoritmos de IA, que por sua vez terão um impacto no desenvolvimento de chips quânticos. Em qualquer caso, a IA definitivamente receberá um impulso da computação quântica.
Quando veremos computadores quânticos funcionando resolver problemas do mundo real?
O primeiro transistor foi criado em 1947. O primeiro circuito integrado foi em 1958. O primeiro microprocessador da Intel - que continha cerca de 2.500 transistores - não foi lançado até 1971. Cada um desses marcos foi separado por mais de uma década. As pessoas pensam que os computadores quânticos estão chegando, mas a história mostra que os avanços levam tempo. Se em 10 anos tivermos um computador quântico com alguns milhares de qubits, ele definitivamente mudará o mundo assim como fez o primeiro microprocessador.
Ilya Khel
