Tem semanas que parece que todas as notícias de ciência mencionam a computação quântica, mas estamos longe de um iPhone quântico. Você provavelmente se lembra que os computadores podem consistir de bilhões de transistores em escala nanométrica gravados em silício. Esses chips costumavam ser enormes, máquinas do tamanho de salas, onde, em vez de transistores, eram usados tubos do tamanho de lâmpadas. Os físicos do mundo da computação quântica ainda estão tentando escolher os melhores tubos.
As manchetes recentes agora mencionam um novo tipo de “qubit” que poderia fazer computadores quânticos mais facilmente. Mas ele ajudaria primeiro a entendermos a que pé está a computação quântica atualmente.
Aqui vai um rápido resumo da computação quântica. Computadores normais armazenam informações com um binário de sim ou não no sistema, como um fio com ou sem uma corrente. Um bit quântico, ou qubit, por sua vez, depende da natureza probabilística da mecânica quântica: ao invés de sim ou não, existe um par de opções com uma probabilidade associada a cada um. Existem algoritmos na ciência e na inteligência artificial que poderiam rodar mais rapidamente ou de forma mais eficiente com um sistema de computação desses. Existem alguns sistemas mecânicos que armazenam qubits, mas eles são muito caros, volumosos ou difíceis de manter nesse frágil estado quântico sem decair em um bit clássico com uma probabilidade de 100% sim ou não.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de New South Wales, na Austrália, e da Universidade de Purdue, nos EUA, agora apresentou um modelo para um novo tipo de qubit e, portanto, um novo tipo de sistema de computação quântica, que é montado em silício, assim como as partes de um computador normal. Tal sistema poderia ser importante como um qubit escalável, com economia de espaço que permaneceria quântico. Mas se ele vai funcionar, isso continua sendo uma dúvida; alguém realmente precisa construir um computador baseado nele.
“Este projeto fornece um modelo de projeto de computadores quânticos baseados em rotação escaláveis em silício,” escrevem os autores do estudo, publicado na última quarta-feira (6), no periódico Nature Communications.
O artigo se baseia no conhecido computador quântico 1998, de Bruce Kane, proposto na Nature, em que os qubits são armazenados como propriedades dos átomos, e as operações de computador, feitas através da aplicação de um campo elétrico. A equipe propõe o que eles chamam de “qubits flip-flop”, em que um átomo de fósforo fica dentro de um semicondutor de silício. O elétron e o núcleo ambos contêm as propriedades intrínsecas chamadas “spin”, que podem assumir valores chamados “para cima” e “para baixo” (spin é uma propriedade intrínseca das partículas, assim como o magnetismo é intrínseco em imãs de geladeira). Os uns e zeros do qubit flip-flop ficam armazenados quando um campo elétrico faz com que o elétron e o núcleo se mexam para se encaixar em estados opostos, um para cima e outro para baixo, ou vice-versa.
Esses qubits teriam algumas vantagens, dizem os pesquisadores: Eles têm taxas de erro muito baixas, por exemplo. Qubits são frágeis, de modo que qualquer computador quântico do mundo real ainda deve funcionar independentemente de alguns de seus qubits deixarem de funcionar, e os erros devem ser tão pouco frequentes quanto possível. Estes qubits também são construídos em silício e controlados por campos eléctricos, o que significa que poderia, potencialmente, ser integrados em chips de silício. Os qubits podem interagir uns com os outros ao longo de grandes distâncias, o que deixa espaço para outras peças não quânticas no computador quântico. Mas os autores apontam que existem alguns desafios, incluindo lidar com o ruído e os fônons (pequenas vibrações).
Essa é apenas uma das várias ideias que os pesquisadores têm para os qubits. Empresas já estão indo em frente na construção de computadores quânticos — você pode ter ouvido falar do controverso computador D-Wave, com dois mil qubits (isso é muito menos poderoso do que os cientistas gostariam, e existe um debate sobre ele ser capaz de superar quaisquer computadores clássicos). O D-Wave depende de supercondutores para criar seus qubits, materiais sem resistência eletrônica que mostram efeitos mecânicos em escalas macroscópicas. Existem também armadilhas de íon, em que átomos e alguma superfície ficam presos por campos elétricos, e soluções ópticas, em que a informação de qubit é armazenada em partículas de luz ou fótons.
Sobre essa última nova ideia, é potencialmente um grande avanço, Na Young Kim, professora associada do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, disse ao Gizmodo por email. “No momento, armadilhas de íons e sistemas supercondutores parecem estar na linha de frente, mas existem grandes obstáculos a superar. Sistemas de silício podem ter um grande potencial de crescimento, se um design robusto se estabelecer” e for traduzido para as atuais tecnologias de silício, disse. “Nesse sentido, esse trabalho certamente coloca os sistemas de silício mais perto da próxima fase de desenvolvimento da computação quântica.”
É importante sermos realistas quanto a isso tudo, no entanto. Martin LaForest, gerente sênior de divulgação científica, também do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, me disse recentemente que agora estamos na junção em que os modelos físicos de computadores quânticos estão começando a atender a demanda teórica necessária para receber os benefícios da computação quântica. Mas ainda estamos longe de um computador que os cientistas possam usar. Chris Wilson (também do IQC) me disse recentemente que um computador quântico que funciona da forma que você imagina quando você ouve a palavra “computador” exigiria possivelmente centenas de milhares de qubits físicos. “Você está falando de uma máquina que se parece com um supercomputador moderno, algo que preenche um armazém”, ele disse.
Em última análise, esse último avanço é um modelo para o que poderia ser potencialmente uma peça importante do computador quântico. Mesmo assim, não espere ver um computador quântico em seu escritório em breve (a não ser que você trabalha na IBM ou Google).
Imagem do topo: Tony Melov / UNSW