O mundo da ciência e da tecnologia tem sido alvo de discussões sobre computadores quânticos há anos, mas os dispositivos ainda não estão afetando nossas vidas diárias. Os sistemas quânticos podem criptografar perfeitamente os dados , ajudar-nos a entender a enorme quantidade de dados que já coletamos e resolver problemas complexos que nem mesmo os supercomputadores mais poderosos conseguem – como diagnósticos médicos e previsão do tempo.

Esse futuro quântico nebuloso ficou um passo mais próximo em novembro, quando a revista de primeira linha Nature publicou dois artigos que mostravam alguns dos sistemas quânticos mais avançados de todos os tempos.

Se você ainda não entende o que é um computador quântico, o que ele faz ou o que poderia fazer por você, não temas. O futurismo conversou recentemente com Mikhail Lukin , professor de física da Universidade de Harvard e autor sênior de  um desses artigos , sobre o estado atual da computação quântica, quando podemos ter tecnologia quântica em nossos telefones ou mesas, e o que será necessário para isso que isso aconteça.

Futurismo: Primeiro, você pode me dar uma explicação simples de como a computação quântica funciona?

Mikhail Lukin: Vamos começar com o funcionamento dos computadores clássicos. Nos computadores clássicos, você formula qualquer problema que queira resolver na forma de alguma entrada, que é basicamente um fluxo de 0s e 1s. Quando você deseja fazer algum cálculo, basicamente cria um determinado conjunto de regras, dependendo de como esse fluxo deve realmente se mover. Esse é o processo de cálculo – adição, multiplicação, qualquer que seja.

Mas sabemos há mais de 100 anos que nosso mundo microscópico é fundamentalmente mecânico quântico. E na mecânica quântica, você pode ter sistemas. Seu computador, por exemplo, ou sua cadeira podem ser colocados em dois estados diferentes ao mesmo tempo – essa é a idéia de superposições quânticas. Em outras palavras, seu computador pode estar simultaneamente em Boston e em Nova York. Portanto, essa superposição quântica, mesmo que pareça muito estranha, é permitida pelas leis da mecânica quântica. Em grande escala, como no exemplo que dei, é claramente muito estranho. Mas no mundo microscópico, como com um único átomo, a criação desse tipo de estado de superposição é realmente bastante comum. Então, ao fazer essas experiências científicas, os cientistas provaram que um único átomo está em dois estados diferentes ao mesmo tempo.

A idéia dos computadores quânticos é basicamente fazer uso dessas regras da mecânica quântica para processar informações. É muito fácil entender como isso pode ser tão poderoso. Nos computadores clássicos, você me dá uma entrada, eu a coloco no meu computador, eu lhe dou uma saída. Mas se nosso hardware fosse mecânico quântico, em vez de apenas fornecer algumas entradas sequencialmente e ler as respostas, eu poderia preparar o registro do computador nas superposições quânticas de muitos tipos diferentes de entradas.

Isso significa que, se eu pegar esse estado de superposição e processá-lo usando as leis da mecânica quântica, posso processar muitas e muitas entradas de uma só vez. Poderia ser potencialmente uma aceleração exponencial, em comparação com os programas clássicos.

F: Como é um computador quântico?

ML: Se você entrar em uma sala com a nossa máquina quântica, verá uma célula ou tubo de vácuo e um monte de lasers que brilham nela. No interior, temos uma densidade muito baixa de um certo átomo. Usamos lasers para desacelerar o movimento atômico muito próximo do zero absoluto, chamado de resfriamento a laser.

F: Então, como você programa a coisa?

ML :. Para programar um computador quântico, lançamos uma centena de raios laser fortemente focados nesta câmara de vácuo. Cada um desses feixes de laser atua como uma pinça óptica, agarrando um átomo ou não. Temos essas armadilhas de átomos, cada uma delas carregada ou vazia. Tiramos uma foto desses átomos nessas armadilhas e descobrimos quais armadilhas estão cheias e quais estão vazias. Em seguida, reorganizamos a armadilha que contém átomos únicos em qualquer padrão que desejarmos. Esse arranjo desejado de átomos únicos, cada um individualmente mantido e facilmente controlado, é posicionado basicamente à vontade.

O posicionamento desses átomos é uma maneira de programá-lo. Para realmente controlar o qubit, empurramos com cuidado, com cuidado, os átomos do seu estado mais baixo de energia para um estado mais alto de energia. Fazemos isso com raios laser cuidadosamente escolhidos que disparam para uma transição específica. Sua frequência é controlada com muita rigidez. Nesse estado excitado, o átomo realmente se torna muito grande e, por causa desse tamanho, os átomos começam a interagir ou – em outras palavras – a falar um com o outro. Ao escolher o estado em que excitamos os átomos e escolher seus arranjos e posições, podemos então programar a interação de uma maneira altamente controlável.

F: Para quais tipos de aplicativos um computador quântico seria mais útil?

ML: Para ser sincero, realmente não sabemos a resposta. Geralmente, acredita-se que os computadores quânticos não necessariamente ajudarão em todas as tarefas computacionais. Mas existem problemas que são matematicamente difíceis, mesmo para os melhores computadores clássicos. Eles geralmente envolvem alguns problemas complexos, como problemas que envolvem otimizações complexas nas quais você tenta satisfazer uma série de restrições contraditórias.

Suponha que você queira dar algum tipo de presente coletivo a um grupo de pessoas, cada uma com seu próprio nicho. Alguns dos nichos podem ser contraditórios. Então, o que acontece é que, se você resolver esse problema classicamente, precisará verificar cada par ou trio de pessoas para garantir que pelo menos o nicho seja satisfeito. A complexidade desse problema aumenta de tamanho muito, muito rapidamente, porque o número de combinações clássicas que você precisa verificar é exponencial. Há alguma crença de que, para alguns desses problemas, os computadores quânticos possam oferecer alguma vantagem.

Outro exemplo muito conhecido é o fatoração. Se você tem um número pequeno, como 15, fica claro que os fatores são 3 e 5, mas esse é o tipo de problema que rapidamente se torna complicado à medida que o número aumenta. Se você tem um número grande que é produto de dois fatores grandes, classicamente não há maneira melhor de descobrir quais são esses fatores do que apenas tentar números de um, dois, três e assim por diante. Mas acontece que existe um algoritmo quântico, chamado algoritmo de Shor, que pode encontrar os fatores exponencialmente mais rápido que os algoritmos clássicos mais conhecidos. Se você pode fazer algo exponencialmente mais rápido do que usar a abordagem alternativa, é um grande ganho.

F: Parece que sua missão e a de outras pessoas em seu campo é ajudar-nos a avançar e entender essa tecnologia, mas os aplicativos são meio secundários e surgirão quando você tiver as ferramentas. Isso parece certo?

ML: Eu responderei sua pergunta com uma analogia. Quando os computadores clássicos foram desenvolvidos, eles eram usados ​​principalmente para fazer cálculos científicos, experimentos numéricos para entender como os sistemas físicos complexos se comportam. No momento, as máquinas quânticas estão neste estágio de desenvolvimento. Eles já nos permitem estudar fenômenos físicos quânticos complexos. Eles são úteis para fins científicos, e os cientistas já estão fazendo isso agora.

De fato, um significado de nossos trabalhos [publicado na Nature ] é que já construímos máquinas grandes o suficiente, complexas o suficiente e quânticas o suficiente para realizar experimentos científicos que são muito difíceis de realizar, mesmo da melhor maneira possível. Em nosso trabalho, já usamos nossa máquina para fazer uma descoberta científica, que não havia sido inventada até agora em parte porque é muito difícil para computadores clássicos modelar esses sistemas. De certa forma, agora estamos cruzando o limiar em que as máquinas quânticas estão se tornando úteis, pelo menos para fins científicos.

Quando os computadores clássicos estavam sendo desenvolvidos, as pessoas tinham algumas idéias de quais algoritmos deveriam ser executados neles. Porém, na verdade, quando os primeiros computadores foram construídos, as pessoas puderam começar a experimentar com eles e descobriram muitos algoritmos úteis, praticamente mais eficientes. Em outras palavras, foi quando eles descobriram para que esses computadores podem realmente ser bons.

É por isso que estou dizendo que realmente não sabemos agora as tarefas para as quais os computadores quânticos serão particularmente úteis. A única maneira de encontrar essas tarefas é construir máquinas quânticas grandes e funcionais para experimentar essas coisas. Esse é um objetivo importante, e devo dizer que estamos entrando nesta fase agora. Estamos muito, muito perto de um estágio em que podemos começar a experimentar algoritmos quânticos em máquinas de grande escala

F: Conte-me um pouco sobre o seu artigo da Nature . Qual é realmente o avanço aqui? E quão perto estamos de ser capaz de começar a descobrir os algoritmos que poderiam funcionar em computadores quânticos?

ML: Então, primeiro vamos falar sobre como se pode quantificar máquinas quânticas. Isso pode ser feito em três eixos diferentes. Em um eixo está a escala – quantos qubits [um “bit quântico”, a unidade que compõe a base do computador quântico da mesma forma que os “bits” fazem na computação clássica]. Outro eixo é o grau de quantum-ness, isto é, quão coerentes são esses sistemas. Então, eventualmente, a maneira de quantificar é que, se você tiver um certo número de qubits e fizer alguns cálculos com isso, qual é a probabilidade de esse cálculo ser livre de erros?

Se você tiver um único qubit, terá uma pequena chance de cometer um erro. Depois de ter muitos deles, essa probabilidade é exponencialmente maior. Portanto, os sistemas descritos em nosso artigo, e também no artigo complementar, têm qubits grandes o suficiente e são suficientemente coerentes para que possamos realizar basicamente toda a série de cálculos com probabilidade de erro razoavelmente baixa. Em outras palavras, em um número finito de tentativas, podemos ter um resultado que não possui erros.

Mas essa ainda não é a história completa. O terceiro eixo é o quão bem você pode programar esta máquina. Basicamente, se você pode fazer com que cada qubit fale com qualquer outro qubit de maneira arbitrária, também pode codificar qualquer problema quântico nessa máquina. Tais máquinas são às vezes chamadas de computadores quânticos universais. Nossa máquina não é totalmente universal, mas demonstramos um alto grau de programação. Podemos realmente mudar a conectividade muito rapidamente. No final, é isso que nos permite sondar e fazer novas descobertas sobre esses fenômenos quânticos complexos.

F: Um computador quântico poderia ser reduzido ao tamanho de um telefone ou algo vagamente portátil em algum momento?

ML: Isso não está fora de questão. Existem várias maneiras de empacotá-lo para que ele possa realmente se tornar portátil e potencialmente ser miniaturizado o suficiente, talvez não ao ponto de um telefone celular, mas talvez de um computador de mesa. Mas isso não pode ser feito agora.

F: Você acha que, como os computadores clássicos, os computadores quânticos passarão de apenas descobertas científicas para o usuário médio em cerca de 30 anos?

ML: A resposta é sim, mas por que 30 anos? Isso poderia acontecer muito antes.

F: O que tem que acontecer entre agora e depois? Que tipo de avanços precisam ser feitos para chegarmos lá?

ML: Eu acho que precisamos ter computadores grandes o suficiente para começar a descobrir realmente para que eles podem ser usados. Ainda não sabemos o que os computadores quânticos são capazes de fazer, por isso não conhecemos todo o seu potencial. Eu acho que o próximo desafio é fazer isso.

O próximo estágio será para engenharia e criação de máquinas que possam ser usadas, talvez, para atingir alguns aplicativos especializados. As pessoas, incluindo [minha equipe], já estão trabalhando no desenvolvimento de alguns dispositivos quânticos de pequena escala, projetados para, por exemplo, auxiliar no diagnóstico médico. Em algumas dessas aplicações, os sistemas quânticos medem apenas minúsculos campos elétricos ou magnéticos, o que poderia permitir um diagnóstico mais eficiente. Eu acho que essas coisas já estão chegando e algumas dessas idéias já estão sendo comercializadas.

Então, talvez, algumas aplicações mais gerais possam ser comercializadas. Na prática, computadores quânticos e computadores clássicos provavelmente funcionarão de mãos dadas. De fato, o mais provável é que a maior parte do trabalho seja feita por computadores clássicos, mas alguns elementos, os problemas mais difíceis, podem ser resolvidos por máquinas quânticas.

Há também outro campo chamado comunicação quântica, onde você pode basicamente transferir estados quânticos entre estações distantes. Se você usar estados quânticos para enviar informações, poderá criar linhas de comunicação completamente seguras. Além disso, por meio das chamadas redes quânticas, às vezes chamadas de internet quântica, poderemos acessar servidores quânticos remotamente. Dessa forma, certamente posso imaginar muitas direções nas quais os computadores quânticos podem entrar na vida cotidiana, mesmo que você não os carregue no seu próprio bolso.

F: O que você gostaria que mais pessoas soubessem sobre computadores quânticos?

ML: A computação quântica e a tecnologia quântica estão nas notícias há algum tempo. Nós, cientistas, sabemos que é uma área interessante. É realmente a fronteira da pesquisa científica em muitos subcampos. Nos últimos cinco a dez anos, a maioria das pessoas assumiu que os desenvolvimentos foram muito futuristas. Eles assumiram que levaria muito tempo antes de criarmos qualquer máquina quântica útil.

Eu acho que esse não é o caso. Acho que já estamos entrando na nova era com um tremendo potencial para descobertas científicas, que podem ter aplicações mais amplas para ciência dos materiais, química – realmente qualquer coisa que envolva sistemas físicos complexos. Mas também sinto que muito em breve começaremos a descobrir para que computadores quânticos podem ser úteis em um escopo muito mais amplo, variando da otimização à inteligência artificial e aprendizado de máquina. Eu acho que essas coisas estão chegando.

Ainda não sabemos o que e como os computadores quânticos farão isso, mas descobriremos muito em breve.

Fonte: Futurism