@venelouis: Como funciona a computação quântica?

O que é computação quântica?

Os computadores quânticos usam partículas subatômicas como elétrons e fótons como a unidade básica de informação para fazer cálculos. Os computadores quânticos não são a próxima geração de supercomputadores; pela primeira vez na história, temos duas maneiras totalmente diferentes de computação: nossos atuais computadores/supercomputadores clássicos e os novos computadores quânticos. Os computadores quânticos são programáveis e podem resolver alguns problemas muitas vezes mais rápido do que os supercomputadores mais poderosos. O poder vem do fato de que a unidade básica de informação em um computador quântico, o qubit, pode ser colocado em um estado de superposição onde pode existir em mais de um estado distinto (0 e 1). Outra propriedade poderosa do qubit é o emaranhamento, pelo qual o prêmio Nobel de Física de 2022 foi concedido. O emaranhamento permite que vários qubits sejam vinculados para que o que acontece com um determine o que acontece com os outros. Isso significa que os cálculos entre qubits emaranhados podem acontecer quase instantaneamente. Quanto mais bits emaranhados, mais cálculos podem ser feitos. Além disso, os sistemas quânticos não são apenas computadores mais rápidos. Eles também resolvem, ou mostram, uma probabilidade de uma resposta de uma maneira única.

Líderes técnicos podem se perguntar como podem aproveitar ou utilizar esse poder computacional mais rápido e diferente, que provavelmente mudará a tecnologia e até mesmo a sociedade tanto ou mais do que o semicondutor.

Como funciona a computação quântica?

Assim como suas contrapartes clássicas, os computadores quânticos são programáveis. Eles usam as mesmas linguagens de programação que os computadores clássicos; várias linguagens quânticas são bibliotecas ou extensões do Python, mesmo que os principais componentes, como cache ou memória, de um computador clássico não tenham sido criados para sistemas quânticos.

Os computadores quânticos são fundamentalmente diferentes na maneira como computam. Eles usam propriedades mecânicas quânticas para fazer algumas classes de tarefas muito mais rápido do que o que pode ser feito com computadores normais. O mundo quântico (partículas subatômicas) opera em leis muito diferentes e essas partículas se comportam de forma muito diferente do que vemos em nosso mundo. A computação quântica usa partículas subatômicas, como elétrons ou fótons. Bits quânticos, ou qubits, podem existir em um estado de superposição, onde podem estar em mais de um estado (ou seja, 1 e 0) ao mesmo tempo. Além disso, esses qubits podem ser emaranhados para que entrem em uma correlação quântica onde o ato de medir um determina o resultado da medição do outro.

Discutiremos brevemente essas propriedades aqui.

Superposição

A mecânica quântica prevê que um computador com n qubits pode existir em uma superposição de todos os 2^n de seus estados lógicos distintos. O que significa que com 3 qubits, todos os 2^3 estados (000, 001, 101, 100, 010, 110, 011, 111) são simultaneamente possíveis; similarmente, isso é válido para 4, 5, ….., n.

Enredamento

No artigo Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? (1935), Einstein argumentou que a mecânica quântica não poderia explicar sua própria previsão de entrelaçamento. Portanto, a mecânica quântica era uma teoria incompleta de acordo com ele. Mas ao longo das décadas, vários cientistas provaram que o entrelaçamento é de fato possível. Em 2022, o Prêmio Nobel de Física foi concedido a Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, que demonstraram o emaranhamento e até controlaram as partículas que estão em estados emaranhados, abrindo caminho para uma nova era de tecnologias quânticas.

Sob as condições certas, os qubits podem ser emaranhados, onde as propriedades das partículas são relacionadas mesmo se as partículas estiverem separadas, mesmo por grandes distâncias. Medir um decide instantaneamente o estado do outro, ambos os quais deixam seu provável estado quântico imediatamente após o outro ser medido. Esta propriedade não pode ser simulada em computadores clássicos. Algoritmos quânticos exploram esta propriedade para obter aceleração em vários problemas.

Pesquisa e desenvolvimento intensos estão em andamento para utilizar as propriedades especiais de sistemas de partículas individuais para construir computadores quânticos. Hoje, os computadores quânticos estão disponíveis na nuvem de várias empresas, e vários setores os estão utilizando para explorar a solução de problemas de negócios.

Os avanços algorítmicos têm andado de mãos dadas com o progresso em hardware e software quânticos. Listaremos alguns dos principais marcos abaixo. Mas antes disso, vamos discutir brevemente como os computadores quânticos funcionam. Cientistas têm desenvolvido algoritmos quânticos nas últimas quatro décadas. Esses são algoritmos que exploram propriedades mecânicas quânticas como superposição e emaranhamento para resolver problemas. Esses algoritmos são então implementados na forma de circuitos quânticos, que são escritos usando linguagens de nível superior, geralmente usando bibliotecas Python. Esses programas manipulam os qubits usando pulsos de micro-ondas e fazem medições nos qubits para obter as respostas desejadas.