1. O computador moderno se aproxima de seus limites
Desde os computadores pessoais que usamos diariamente até o supercomputador mais rápido do mundo, “Fugaku”, todos os computadores clássicos processam informações usando uma unidade chamada “Bit”. Um bit pode assumir apenas um de dois estados: a chave “ligada (1)” ou “desligada (0)”. Cálculos complexos, assim como imagens enormes, são processados sequencialmente como esta “vasta sequência de 0s e 1s”.
No entanto, nos tempos modernos, à medida que a miniaturização dos semicondutores se aproxima do tamanho dos átomos, a “Lei de Moore (melhoria no desempenho dos semicondutores)” enfrenta limites físicos (como vazamento de corrente devido ao efeito de tunelamento quântico). Para romper esse limite, a abordagem que tenta realizar cálculos usando leis físicas completamente diferentes é o “computador quântico”.
2. A magia da mecânica quântica: “Superposição”
A menor unidade de um computador quântico não é chamada de “bit”, mas sim de “Qubit” (bit quântico). A característica mais importante de um qubit é que ele utiliza a propriedade da “Superposição” da mecânica quântica.
Enquanto um bit clássico é fixado em ou “0” ou “1”, um qubit pode manter simultaneamente um estado ambíguo (superposição probabilística) de “ser 0 e, ao mesmo tempo, ser 1”.
- Um computador clássico de 2 bits pode representar apenas 1 estado por vez: “00, 01, 10, 11”.
- No entanto, se você usar 2 qubits, poderá ter todos esses 4 estados simultaneamente.
Se isso se tornar 300 qubits, seria possível calcular simultaneamente, em um instante, mais estados (2 elevado a 300) do que o número de átomos existentes no universo. A fonte do imenso poder computacional (paralelismo quântico) do computador quântico está aqui.
3. O “Emaranhamento quântico” que até Einstein achou confuso
Outro fenômeno quântico importante é o “Emaranhamento” (Entrelaçamento quântico). Este é um fenômeno bizarro no qual dois qubits estão ligados por um vínculo forte e, não importa a distância entre eles, “quando o estado de um é observado e determinado, o estado do outro também é determinado instantaneamente”.
Dentro de um computador quântico, esse “emaranhamento quântico” é usado para vincular vários qubits e executar algoritmos computacionais complexos (interferência). Ao realizar uma “observação” no final do cálculo, as respostas indesejadas (ondas de probabilidade) se anulam, e apenas a probabilidade da resposta correta é amplificada e produzida.
4. No que o computador quântico é bom?
O computador quântico não é uma caixa mágica onipotente. Tarefas diárias, como navegar na internet ou editar vídeos, ainda são mais bem realizadas pelos computadores atuais. O que o computador quântico faz de melhor são os “problemas de busca pela resposta ideal em um vasto número de combinações”.
Áreas promissoras
- Descoberta de medicamentos e desenvolvimento de novos materiais: Como as próprias moléculas e reações químicas se comportam quanticamente, a simulação de medicamentos pode ser feita de forma extremamente precisa e rápida.
- Problemas de otimização: Espera-se que resolva instantaneamente problemas com tantas variáveis que mesmo os supercomputadores não conseguem calcular, como “a rota mais eficiente para milhares de caminhões de entrega” ou “o portfólio ideal de produtos financeiros”.
O colapso da criptografia moderna (Algoritmo de Shor)
Atualmente, a “criptografia RSA” que protege as comunicações da internet (como o HTTPS) garante a segurança sob a premissa de que “a fatoração de números gigantes em números primos levaria dezenas de milhares de anos, mesmo para um supercomputador”. No entanto, está matematicamente provado que, usando o “algoritmo de Shor” para computadores quânticos, isso poderia ser decifrado em questão de horas ou segundos. Devido a isso, há atualmente uma transição apressada em todo o mundo para a “Criptografia Pós-Quântica” (PQC).
5. Supremacia quântica e os desafios atuais
Em 2019, o Google anunciou que seu computador quântico “Sycamore” resolveu em apenas 200 segundos um cálculo que levaria 10.000 anos no supercomputador mais rápido do mundo, declarando a comprovação da “Supremacia Quântica”.
Contudo, ainda há um grande obstáculo para sua aplicação prática: o “Ruído (Erro)”. O estado de “superposição” dos qubits é extremamente delicado e se quebra facilmente devido à menor influência de calor ou campos magnéticos. Por isso, é necessário um equipamento gigantesco para resfriá-los a temperaturas extremamente baixas, próximas do zero absoluto (menos 273 graus). Atualmente, a tendência principal são os computadores quânticos de escala intermediária com ruído (NISQ), e diz-se que levará mais de 10 anos para concluir um verdadeiro “computador quântico tolerante a falhas”, capaz de autocorrigir erros.
6. Conclusão
O computador quântico é um desafio épico da humanidade para colocar em uso prático, como engenharia, a teoria da mecânica quântica construída por gigantes da física como Einstein e Schrödinger. Assim como os computadores pessoais deram origem à internet e os smartphones às redes sociais, é inquestionável que, quando os computadores quânticos se tornarem práticos, surgirão tecnologias de um futuro totalmente novo e além da nossa imaginação.