Giz Explica: Por que a computação quântica é o futuro (porém distante)

*Onde raios fica Paciência?*

Mais de 400 milhões de transistores são inseridos em chips dual-core fabricados usando o processo de 45nm da Intel. Isto em breve dobrará, de acordo com a Lei de Moore. E isto ainda será como computar com pedrinhas em comparação com a computação quântica.

A computação quântica é um assunto bem complicado – hummm, vejamos, mecânica quântica mais computadores. Vou tentar manter isto no nível básico, mas recentes descobertas como esta provam que você definitivamente deve começar a prestar atenção nela. Algum dia, no futuro, a computação quântica estará quebrando códigos, operando buscas pela Internet e talvez, apenas talvez, fazendo funcionar os nossos painéis holográficos estilo Star Trek.

Antes de entrarmos na parte quântica, vamos começar somente com a parte “computação”. Tudo se resume a bits. Eles são a estrutura básica da informação de computação. Eles têm dois estados – 0 ou 1, desligado ou ligado, falso ou verdadeiro, e por aí vai. Mas dois estados definidos é uma chave. Quando você junta um monte de bits, geralmente 8 deles, você consegue um byte. Como em kilobytes, megabytes, gigabytes e por aí vai. As suas fotos digitais, músicas, documentos, tudo isso não passa de longas cadeias de 1s e 0s, segmentados em filamentos de 8 dígitos. Em função da sua estrutura binária, um computador clássico opera de acordo com uma certa lógica que é a torna excelente para certos tipos de computação – as coisas genéricas e básicas que você faz todos os dias – mas não tão boa para outras, como encontrar gigantescos fatores primos (aquelas coisas das nossas antigas aulas de matemática), que são uma importante parte da quebra de códigos.

A computação quântica opera de acordo com um tipo diferente de lógica – ela de fato usa a regra da mecânica quântica para computar. Bits quânticos, chamados de qubits, são diferentes dos bits comuns porque eles não têm apenas dois estados. Eles têm múltiplos estados, ou melhor, superposições – eles podem ser 0 ou 1 ou 0-1 ou 0+1 ou 0 e 1, tudo ao mesmo tempo. É muito, muito mais profundo que o velho bit comum. A capacidade de um qubit de existir em múltiplos estados – o combo de todos eles em superposição – abre uma porta incrivelmente grande de possibilidades para o poder computacional porque ele é capaz de fatorar números a velocidades insanamente maiores que os computadores comuns.

O emaranhamento – um estado quântico que dita as correlações estreitas entre os sistemas – é a chave para isto. É um troço bem difícil de se descrever, então eu pedi ajuda para o Boris Blinov, um professor do Grupo de Computação Quântica por Íons Capturados da Universidade de Washington. Ele se usou do Gato de Schrödinger para explicar: basicamente, se você tiver um gato dentro de uma caixa fechada e lançar gás venenoso lá dentro, o gato ou estará morto, 0, ou vivo, 1. Até eu abrir a caixa para descobrir, ele existe em ambos os estados – uma superposição. Esta superposição é destruída quando eu a mensuro. Mas suponha que eu tenha dois gatos em duas caixas correlacionadas e eu aplico o mesmo processo. Se eu abrir uma caixa e o gato estiver vivo, isto significa que o outro gato também estará, mesmo que eu nunca tenha aberto aquela caixa. É um fenômeno quântico com uma correlação mais forte do que você consegue compreender em uma simples aula de física, e por causa disto você pode fazer algo como algoritmo quântico – mude uma parte do sistema e o resto responderá em consequência sem alterar o resto da operação. Isto é parte do motivo para ela ser mais veloz em certos tipos de cálculos.

A outra parte, explica Blinov, é que você consegue obter verdadeiro paralelismo na computação – ou seja, de fato processar um monte de informações em paralelo, “não como o Windows” ou mesmo outros tipos de computadores clássicos que prometem paralelismo.

Então, pra que ela serve? Por exemplo, uma senha que levaria anos para quebrar pela força bruta usando os computadores de hoje poderia levar poucos segundos com um computador quântico, então tem um bocado de coisa maluca para o qual os governos (em especial o dos EUA) poderiam colocá-la em uso no campo da criptografia. E também seria útil para os engenheiros de busca do Google, Microsoft e outras empresas, já que você pode buscar e indexar bancos de dados muito, muito mais rapidamente. E não devemos nos esquecer das aplicações científicas – não é nenhuma surpresa que os computadores clássicos sejam uma bosta para modelar mecânica quântica. Jonathan Home, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, sugere que, do jeito que anda a computação em nuvem, se você precisa executar um cálculo insano, é capaz de você preferir alugar um mainframe quântico no quintal do Google.

O motivo para ainda não estarmos detonando com os computadores quânticos agora é que este lance quântico, neste momento, ainda é extremamente frágil. E sempre será, já que os estados quânticos não são exatamente robustos. Estamos falando de trabalho com íons – em vez de elétrons – e, se você acha que o sobreaquecimento é um problema dos processadores atuais, você não faz a menor ideia. Na descoberta revelada pela equipe de Home no INCT – completar um conjunto inteiro de operações quânticas de “transporte”, deslocando informações de uma área do “computador” para outra – eles trabalharam com um único par de átomos, usando lasers para manipular os estados dos íons de berílio, armazenando os dados e executando uma operação antes de transferir esta informação para um diferente local no processador. O que permitia que funcionasse sem acabar com o processador e perder todos os dados devido ao calor eram os íons de magnésio refrigerando os íons de berílio conforme estes eram manipulados. E estes lasers têm limitação do quanto podem fazer. Se você quiser manipular mais íons, precisará acrescentar mais lasers.

Poxa, a computação quântica é tão frágil e desajeitada que, quando conversamos com o Home, ele disse que boa parte do esforço é voltado para bolar métodos de correção de erros. Em cinco anos, diz ele, nós provavelmente estaremos trabalhando com míseras dezenas de qubits. O estágio em que se encontra agora, diz Blinov, é “o equivalente a confeccionar um transistor confiável” de algumas décadas atrás. Mas isso não quer dizer que estas poucas dezenas de qubits não serão úteis. Mesmo que elas não sejam alocadas para quebrar códigos na Agência de Segurança Nacional dos EUA – seriam necessários 10.000 qubits para uso em criptografia de alto nível – ainda é poder de computação quântica suficiente para calcular propriedades de novos materiais, coisa que seria difícil de modelar com um computador clássico. Em outras palavras, os cientistas de materiais poderiam já na próxima década desenvolver a case para o iPhone 10G ou os primórdios do seu próximo processador cavalar da Intel usando computadores quânticos. Só não espere é um computador quântico na sua mesa de trabalho nos 10 próximos.

Um agradecimento especial a Jonathan Home do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e ao professor Boris Blinov da Universidade de Washington!