O ganho exponencial de poder de processamento da computação quântica se sustenta essencialmente na “sobreposição de estados”. Embora nós, e tudo que existe, sejamos formados de partículas, não podemos desaparecer e aparecer do outro lado da parede, como ocorreria com nossos elétrons individualmente. No mundo macroscópico, as interações estão constantemente colapsando as características probabilísticas da natureza subatômica. Por isso, os qbits devem ser isolados de qualquer interferência e operar em temperaturas próximas ao zero absoluto. Um dos caminhos das propostas de engenharia é a construção de sistemas mais estáveis que emulem o comportamento de um objeto quântico.
A disputa pela arquitetura física ideal do computador quântico divide-se entre diferentes modalidades de representação da informação.
Luiz Augusto Silvestre, econofísico do Venturus, explica que a abordagem mais conhecida hoje trabalha com o silício resfriado. Segundo o econofísico, essa é a “abordagem canônica”, baseada em uma tecnologia que se conhece desde os anos 1960: a junção Josephson. Ao resfriar o metal depositado sobre o silício a temperaturas próximas do zero absoluto, ele se torna supercondutor. Nessa condição, os elétrons perdem a resistência elétrica e começam a se comportar de forma coletiva, permitindo que fenômenos quânticos sejam levados a uma situação macroscópica para realizar a computação.
No entanto, há outras abordagens. Silvestre aponta que a luz é um candidato promissor para ser o qubit, pois os fótons não possuem carga elétrica e, por isso, não sofrem interferência de campos eletromagnéticos externos. Contudo, essa mesma característica torna difícil criar as chamadas “portas lógicas”, pois os fótons não interagem facilmente uns com os outros.
Outra vertente trabalha sobre íons aprisionados, em que átomos são colocados em armadilhas magnéticas e o seu spin torna-se a unidade de informação.
Há ainda os qubits topológicos, uma aposta da Microsoft que busca estabilidade através de materiais inovadores, embora Silvestre note que essa promessa ainda carece de uma demonstração prática tão robusta quanto a dos supercondutores.
A AWS investe em tecnologias alternativas como os “cat qubits” do chip Ocelot para reduzir a necessidade de correção de erros em até 90%.
Tecnologias quânticas 2.0: informação processada pela própria natureza
As leis contraintuitivas da mecânica quântica já fazem parte das tecnologias que sustentam o atual mundo digital. A diferença é que na primeira geração de tecnologias, a mecânica quântica é aplicada na otimização do sistema em si; de suas funcionalidades clássicas. Neste momento, contudo, o objetivo é usar as leis da mecânica quântica para sustentar modelos que deem conta da solução de problemas altamente complexos, com grandes volumes de variáveis.
Nos primórdios da computação clássica, os princípios matemáticos da computação binária já existiam, assim como já se viam as bases da eletrônica digital nos circuitos a válvula. Isso tudo ganha escala e viabilidade comercial com o transistor, as memórias e todos os componentes que aplicam descobertas da mecânica quântica para representar o bit.
“As máquinas de tomografia, ou ressonância magnética nuclear já trabalham em nível quântico, mas com algo que nós chamamos de informação clássica. O chip do seu computador usa tecnologia quântica, mas ele está usando a informação clássica: 0 e 1; verdadeiro ou falso. As tecnologias 2.0 fazem a gestão da informação quântica. E esse nível novo de domínio é tão disruptivo que inclusive tem outra lógica. Não é a lógica do verdadeiro ou falso. Tem a lógica do verdadeiro, do falso, da raiz quadrada da verdade, do seno da mentira; é a lógica da mecânica quântica”, define Silvestre.
Curiosamente, na atual tecnologia de semicondutores ocorre, de certa forma, um teletransporte de matéria, pois um elétron vai de um ponto a outro sem passar pelo espaço intermediário. Já na computação quântica, o termo “teletransporte” se refere à transmissão da informação por “entrelaçamento”, sem passar por nenhum canal de transmissão.
A comparação frequente para situar o estágio atual da tecnologia quântica remete ao ENIAC nos anos 1940, o primeiro computador digital de propósito geral. Contudo, especialistas sugerem que o horizonte está se comprimindo mais rápido do que o previsto pela observação histórica. O pesquisador da Accenture, Saulo Machado, propõe uma perspectiva de evolução acelerada que nos situa mais à frente no tempo. “Se olharmos para o cenário em que estamos hoje comparando com a clássica, estaríamos em um ponto equivalente ao dos anos 70”, especula. No entanto, naquele momento as bases científicas e a tecnologia de base já estavam relativamente bem definidas. “Na década de 70, houve o estabelecimento de transistores e circuitos integrados que deram origem à computação em escala. Hoje vivemos um esforço similar para descobrir o que será o ‘transistor quântico’”, compara.
Atualmente, vivemos a era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), em que qubits ruidosos ainda impedem a execução de algoritmos perfeitos de longa duração, mas já permitem o que se denomina “utilidade quântica”. Esse estágio caracteriza-se por casos nos quais a computação quântica já consegue trazer resultados úteis, mesmo considerando seus ruídos inerentes.
Einstein errou: Deus joga dados
Cético em relação às desconcertantes constatações da mecânica quântica, Albert Einstein acreditava que haveria variáveis desconhecidas que permitiriam aplicar as leis newtonianas, altamente precisas no mundo perceptível, às partículas subatômicas. De certa forma, mais uma vez Einstein acerta até quando erra (como ocorreu com os artifícios matemáticos que casaram com a futura descoberta da energia escura). A afirmação pejorativa “Deus não joga dados”, apesar de equivocada, funciona como uma analogia para entender o “problema” da decoerência quântica.
Para entender a decoerência quântica, podemos imaginar a transição do comportamento isolado de uma partícula subatômica para o comportamento do mundo macroscópico usando um jogo de dados.
Na computação quântica, a unidade básica de informação é o qubit, que, ao contrário do bit clássico (0 ou 1), atua como uma representação de probabilidades em um estado de superposição. Especialistas comparam essa propriedade a uma roleta girando: enquanto está em movimento, contém simultaneamente as probabilidades de parar no verde ou no vermelho.
Usando a analogia dos dados, fica mais fácil entender por que as interações colapsam as probabilidades, até o ponto de percebermos o mundo de forma determinística:
- Mundo quântico (1 dado): Imagine que um único dado representa um qubit perfeitamente isolado em superposição. A probabilidade de sair qualquer número (de 1 a 6) é uniformemente distribuída. Todas as possibilidades coexistem com o mesmo peso. Não há um “pico” de tendência; a realidade é puramente probabilística e plana.
- Início da interação (2 dados): Ao rolar dois dados, eles representam o momento em que a partícula quântica começa a interagir com outra partícula. A reta de probabilidades perfeitas se deforma e vira um triângulo. Isso ocorre porque as combinações se somam: só há uma forma de resultar em um 2 (1+1) ou um 12 (6+6), mas há seis formas diferentes de obter um 7. Os estados possíveis começam a interferir uns nos outros, e uma “tendência” central começa a surgir.
- A decoerência e o mundo clássico (3, 4 ou bilhões de dados): Ao jogar quatro dados, o gráfico deixa de ser um triângulo e se arredonda, formando uma “curva de sino” (distribuição normal). Os valores extremos (como tirar 4 ou 24) tornam-se eventos raríssimos, enquanto a vasta maioria dos resultados se aglomera esmagadoramente em torno da média (14). Ao jogar bilhões de dados (que é o que compõe a matéria do nosso mundo físico), a curva se torna uma linha tão fina e pontiaguda no meio que o resultado se torna praticamente uma certeza absoluta, perdendo completamente a “aleatoriedade uniforme” original.
Esse achatamento das probabilidades e o fim da “estranheza” quântica é o que chamamos de decoerência. No mundo macroscópico, as interações com o ambiente – como calor, vibração ou radiação – estão constantemente se chocando com os objetos quânticos e colapsando as suas características probabilísticas. O ato de medir ou o simples contato com o ambiente força a partícula a “escolher” um estado fixo clássico.
Enquanto esse colapso constante é o que nos mantém inteiros e “sólidos” no mundo real, é também o maior obstáculo para a engenharia dos processadores quânticos, tornando incrivelmente difícil isolar os qubits para que eles mantenham suas propriedades probabilísticas sem perturbações.
Abaixo está o gráfico demonstrando essa deformação probabilística e a perda da superposição uniforme à medida que o sistema interage com mais elementos:
