Como os computadores quânticos funcionam

Um computador quântico é um design de computador que usa os princípios de física quântica aumentar o poder computacional além do que é atingível por um computador tradicional. Os computadores quânticos foram construídos em pequena escala e o trabalho continua para atualizá-los para modelos mais práticos.

Os computadores funcionam armazenando dados em um número binário formato, que resultam em uma série de 1s e 0s retidos em componentes eletrônicos, como transistores. Cada componente da memória do computador é chamado de mordeu e pode ser manipulado através das etapas da lógica booleana para que os bits mudem, com base no algoritmos aplicados pelo programa de computador, entre os modos 1 e 0 (às vezes chamados de "ligado" e "fora").

Um computador quântico, por outro lado, armazenaria informações como 1, 0 ou superposição quântica dos dois estados. Esse "bit quântico" permite uma flexibilidade muito maior do que o sistema binário.

Especificamente, um computador quântico seria capaz de realizar cálculos em uma ordem de magnitude muito maior do que os computadores tradicionais... um conceito que tem sérias preocupações e aplicações no campo da criptografia e criptografia. Alguns temem que um computador quântico bem-sucedido e prático devaste o sistema financeiro mundial, rasgando a segurança de seu computador criptografias, que são baseadas em fatorar grandes números que literalmente não podem ser decifrados por computadores tradicionais durante a vida útil do universo. Um computador quântico, por outro lado, poderia fatorar os números em um período de tempo razoável.

Para entender como isso acelera, considere este exemplo. Se o qubit estiver em uma superposição do estado 1 e do estado 0, e ele realizou um cálculo com outro qubit no mesma superposição, um cálculo realmente obtém 4 resultados: um resultado 1/1, um resultado 1/0, um resultado 0/1 e um 0/0 resultado. Isso é resultado da matemática aplicada a um sistema quântico quando em um estado de descoerência, que dura enquanto está em uma superposição de estados até que desmorone em um estado. A capacidade de um computador quântico executar múltiplas computações simultaneamente (ou em paralelo, em termos de computador) é chamada paralelismo quântico.

O mecanismo físico exato em funcionamento no computador quântico é algo teoricamente complexo e intuitivamente perturbador. Geralmente, é explicado em termos da interpretação multi-mundo da física quântica, em que o computador realiza cálculos não apenas em nosso universo, mas também em de outros universos simultaneamente, enquanto os vários qubits estão em um estado de decoerência quântica. Embora isso pareça absurdo, a interpretação de vários mundos demonstrou fazer previsões que correspondem aos resultados experimentais.

A computação quântica tende a traçar suas raízes em um discurso de 1959 por Richard P. Feynman em que ele falou sobre os efeitos da miniaturização, incluindo a idéia de explorar efeitos quânticos para criar computadores mais poderosos. Este discurso também é geralmente considerado o ponto de partida de nanotecnologia.

Obviamente, antes que os efeitos quânticos da computação pudessem ser realizados, cientistas e engenheiros tiveram que desenvolver mais plenamente a tecnologia dos computadores tradicionais. É por isso que, durante muitos anos, houve pouco progresso direto, nem mesmo interesse, na ideia de tornar as sugestões de Feynman em realidade.

Em 1985, a idéia de "portas lógicas quânticas" foi apresentada por David Deutsch, da Universidade de Oxford, como um meio de explorar o reino quântico dentro de um computador. De fato, o artigo de Deutsch sobre o assunto mostrou que qualquer processo físico poderia ser modelado por um computador quântico.

Quase uma década depois, em 1994, Peter Shor da AT&T criou um algoritmo que poderia usar apenas 6 qubits para realizar algumas fatorações básicas... quanto mais côvados, mais complexos os números que exigem fatoração se tornaram, é claro.

Um punhado de computadores quânticos foi construído. O primeiro, um computador quântico de 2 qubit em 1998, poderia realizar cálculos triviais antes de perder a decoerência após alguns nanossegundos. Em 2000, as equipes construíram com sucesso um computador quântico de 4 e 7 bits. A pesquisa sobre o assunto ainda é muito ativa, embora alguns físicos e engenheiros expressem preocupação com as dificuldades envolvidas no aumento dessas experiências para sistemas de computação em larga escala. Ainda assim, o sucesso desses passos iniciais mostra que a teoria fundamental é sólida.

A principal desvantagem do computador quântico é a mesma que sua força: a descoerência quântica. Os cálculos de qubit são realizados enquanto a função de onda quântica está em um estado de superposição entre estados, que é o que permite realizar os cálculos usando os estados 1 e 0 simultaneamente.

No entanto, quando uma medida de qualquer tipo é feita em um sistema quântico, a descoerência é interrompida e a função de onda entra em colapso em um único estado. Portanto, o computador deve, de alguma forma, continuar fazendo esses cálculos sem que sejam feitas medidas até o tempo adequado, quando ele pode sair do estado quântico, fazer uma medição para ler seu resultado, que é repassado para o restante do sistema.

Os requisitos físicos da manipulação de um sistema nessa escala são consideráveis, afetando os domínios dos supercondutores, nanotecnologia e eletrônica quântica, além de outros. Cada um deles é, por si só, um campo sofisticado que ainda está sendo totalmente desenvolvido, portanto, tentando mesclar todos juntos em um computador quântico funcional é uma tarefa que eu particularmente não invejo qualquer um... exceto a pessoa que finalmente consegue.