Certamente você já ouviu muita gente – incluindo o Gizmodo – falando em computação quântica, e como ela é o futuro da computação de alto desempenho. Quando falamos em computação quântica, devemos pensar em algo que vai mudar o mundo. Mas, apesar de toda a sua promessa, ela não está nem disponível nem particularmente utilizável […]
Certamente você já ouviu muita gente – incluindo o Gizmodo – falando em computação quântica, e como ela é o futuro da computação de alto desempenho. Quando falamos em computação quântica, devemos pensar em algo que vai mudar o mundo. Mas, apesar de toda a sua promessa, ela não está nem disponível nem particularmente utilizável no momento. Eis os motivos.
Bits básicos
Para quem não é familiarizado com o conceito, um lembrete rápido do que é computação quântica. Essencialmente, são computadores que usam física quântica. Em vez de um sistema digital normal que se apoia em dados codificados em dígitos binários (bits) – eles só podem ter a forma de 0 ou 1 – a computação quântica usa propriedades quânticas para representar dados e executar operações.
Um computador quântico, assim, não usa bits, e sim qubits (quantum bits). Cada um desses qubits pode representar 0, 1 ou qualquer coisa entre isso.
Pense em uma mesa cheia de moedas. Em um computador clássico, cada uma delas pode mostrar cara ou coroa; em um computador quântico, uma moeda pode mostrar 25% de cara e 75% de coroa, ou qualquer outra posição entre os dois estados possíveis. Uma vez medida – e devemos agradecer a Schroedinger a isso – ela assume um dos dois estados, cara ou coroa.
Como cada qubit pode assumir uma grande gama de valores, um número modesto deles pode conter uma quantidade imensa de informação; é isso que forma a teoria dos computadores quânticos. 100 qubits conseguem armazenar 1.267.650.600.228.229.401.496.703.205.375 números diferentes – trilhões de vez mais capacidade de armazenamento do que computadores normais conseguem. Em outras palavras, 100 qubits podem representar simultaneamente todos os números 100-bit possíveis em seu estado quântico, diferentemente da computação 100-bit clássica, que representa apenas um.
É a sua vasta capacidade de assumir diversos estados de uma vez que – em teoria – significa que computadores quânticos conseguem fornecer poder jamais visto e velocidade muito superior à computadores clássicos. Na prática, tudo é bem mais difícil.
Construindo blocos
Em primeiro lugar, construir um computador quântico não é nada fácil. Enquanto a tecnologia necessária para os computadores de bits tradicionais está muito bem estabelecida, fabricar os qubits não é simples.
Ninguém tem certeza de qual é a melhor forma de criar um. Algumas técnicas envolvem prender íons, elétrons ou qualquer outra partícula minúscula; alguns propõe usar supercondutores para criar circuitos quânticos microscópicos; outros sugerem que seja possível usar fótons ou aparatos ópticos complexos para atingir o mesmo objetivo. O que todas essas técnicas têm em comum, no entanto, é o fato de serem plausíveis em pequena escala mas incrivelmente difíceis de se atingir em grande escala. É isso que limita a computação quântica em máquinas de pesquisa, ao menos por enquanto.
O problema de escala em si é resultado de uma incoerência quântica – ou, melhor, a tentativa de eliminá-la. O problema é que, como o bom e velho Schroedinger apontou, sistemas quânticos precisam ser isolados do resto do mundo para funcionar. Interações com o mundo externo fazem o sistema ficar incoerente, entrando em colapso e assumindo um estado binário, assim como um computador normal.
Mas as entranhas de um computador quântico – portas quânticas, vibrações estruturais, giro nuclear de fundo dos qubits – podem todos gerar efeitos de incoerência também. A solução? Definir uma taxa de erro – uma quantidade de incoerência aceita para o sistema – e criar designs a partir disso.
E mesmo essa é uma solução imperfeita, no entanto; para definir uma taxa de erro pequena o suficiente que ainda assim ofereça os benefícios de um computador quântico respeitável, você precisa de um inchaço no número de qubits para a correção de erros, e esses qubits tão extremamente difíceis de produzir, e… bem, você consegue entender onde isso vai chegar.
Você é apenas um usuário
Vamos dizer que você queira montar um computador quântico funcional (não é nada surpreendente que o Google queira). Por mais que você pense que ter todo aquele poder computacional em mãos pode ser como um sonho que se torna realidade, na verdade usar uma coisa dessas é algo próximo a um pesadelo.
Primeiro, há a questão de saber se de fato vai funcionar. Um princípio altamente conhecido da mecânica quântica é que apenas observar o fenômeno pode mudar completamente o resultado de um evento. Assim, observar uma partícula quântica, ou um qubit, ou qualquer coisa quântica, pode fazer com que o seu comportamento mude. Isso significa que é bem difícil dizer se um computador quântico está se comportando da forma como queremos ou esperamos que se comporte.
Na verdade, mesmo os computadores que se denominam quânticos disponíveis atualmente não foram verificados para sabermos se trabalham da maneira como deveriam. Eles são simplesmente baseados na teoria, com esperança de que realmente funcionem assim.
Isso levanta mais uma enorme quantidade de problemas. Especificamente, atingir esse objetivo é complicado. Codificar um computador quântico não é nada simples; por sua própria natureza, eles dão as respostas que são necessariamente probabilísticas, não concretas. Para muitas soluções, isso significa que a resposta não é necessária atingida na primeira tentativa, em vez disso, o mesmo cálculo precisa ser repetido diversas vezes antes da resposta óbvia e concreta surgir. Isso significa que, dependendo do tipo do problema, não há necessariamente uma vantagem considerável da computação quântica em comparação com a regular.
É possível explorar parte dos poderes místicos mágicos de mecânicas quânticas para aumentar a velocidade em que as soluções são atingidas, mas até agora pesquisadores só conseguiram fazer isso em uma pequena quantidade de problemas, como encontrar fatores primários de números imensos. É bom – e útil para criptografia – mas bastante limitado.
Dois erros não fazem um acerto
Eis o maior dos problemas. Apesar de tudo o que é dito sobre computação quântica, e todo o sangue, suor e lágrimas derramados na tentativa de construir e codificar essas coisas, ainda não é necessariamente possível dizer de um computador quântico fornece a resposta correta no fim. Como assim?
Um computador quântico pode, em teoria, ser usado para calcular soluções em dias, talvez horas, que demorariam centenas de anos para computadores tradicionais conseguirem. Enquanto algumas das respostas podem ser verificadas – uma chave complexa e criptografada gerada por um computador quântico é testada ao checar a mensagem criptografada e descriptografada, por exemplo – existem outros problemas que não podem ser verificados. Os computadores quânticos podem ser usados para solucionar problemas para os quais não temos nenhum mecanismo de confirmação. E, nesses casos, não temos como conferir o resultado final.
Entretanto, talvez exista uma forma de trabalhar isso. Uma equipe de cientistas da Universidade de Viena desenvolveu uma técnica chamada “computação quântica cega” que eles acreditam que pode ajudar. A ideia é bem simples; envolve armadilhas matemáticas, passos intermediários em cálculos que humanos – ou ao menos outros computadores – podem resolver. Se essas respostas forem incorretas, então a resposta geral pode estar errada também. Em vez de checar a solução final, ela checa os passos feitos até chegar ao resultado.
Na Nature Physics, os pesquisadores demonstraram que a técnica pode ao menos funcionar em pequena escala, usando um computador quântico de 4-qubits como verificador de um teste feito em um outro computador quântico. Eles afirmam que isso é escalável, e pode ser usado em computadores com centenas de qubits. Mas, como todas as coisas na computação quântica, há um porém. “Como quase todos os experimentos atuais na área, isso tem um status de prova de conceito, em vez de algo diretamente usável,” explicou o cientista da computação Scott Aaronson, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, à Science.
E, assim, demonstramos exatamente o motivo de um computador quântico continuar sendo apenas um sonho. Ao menos por enquanto.
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