Por Giuseppe Di Giuseppe Deininger

Os processadores dos computadores atuais são compostos principalmente por transistores, que possuem dois estados de funcionamento: ligado (representado por 1) e desligado (representado por 0). Assim, por terem apenas essas duas possibilidades, seu processamento é feito com dígitos binários, os bits, que similarmente aos estados dos transistores, podem apenas assumir valores 0 ou 1. Porém, a desvantagem é que cada transistor consegue apenas processar 1 bit por vez, tornando os processadores atuais, inclusive os mais poderosos, limitados. Assim surge a primeira grande diferença de um computador quântico para um convencional: eles são capazes de fazer cálculos simultaneamente.

Essa capacidade é possível graças à composição dos processadores quânticos, pois ao invés de chips, eles possuem partículas atômicas tratadas em laboratório (a diferença da quantidade de chips e átomos é assustadora: enquanto um processador convencional razoável possui dezenas de milhões de transistores, um quântico, com cerca de mil átomos, é mais poderoso que diversos supercomputadores juntos) que, devido às propriedades da mecânica quântica, funcionam de maneira diferenciada, tornando sua capacidade de processamento extremamente alta.

É perceptível, pela quantidade de átomos que compõem esses processadores, que eles possuem um tamanho microscópico, no entanto, isso causa a necessidade de barrar qualquer interferência. Para isso, tenta-se diminuir o movimento de tudo que possa causar ruído por meio da redução da temperatura para valores que chegam a -272ºC, porém, os equipamentos responsáveis por esse resfriamento são enormes, o que faz com que as máquinas quânticas sejam muito grandes.

Como foi dito anteriormente, um dos fatores que tornam os processadores convencionais limitados é a capacidade de processar apenas um bit por vez. Entretanto, os computadores quânticos não trabalham com bits, mas com qubits, que além de representar o 0 ou 1 comuns, também podem representar 0 e 1 ao mesmo tempo, devido à sobreposição deles, que é possível por, na mecânica quântica, uma partícula poder estar em dois ou mais estados ao mesmo tempo. Numa comparação com o gato de Schrödinger, em que o gato possui chances iguais de estar morto ou vivo, na mecânica quântica ele deve ser considerado morto e vivo. Na escala atômica dos computadores quânticos, os átomos podem estar excitados e não excitados ao mesmo tempo, ou ainda, prótons e nêutrons ter spin para cima e para baixo simultaneamente.

Na prática, os computadores quânticos seriam capazes de fazer cálculos complexos que, numa máquina comum, levaria tempo em escala exponencial, rapidamente, já que os bits quânticos funcionam com coeficiente 2 (2 qubits representam 4 bits, 3 qubits representam 8 bits, etc.). Assim, esses cálculos com padrões exponenciais possuiriam um padrão 2n numa máquina quântica. Como comparação, uma máquina de 30 qubits tem o processamento semelhante ao de uma comum de 10 teraflops (um computador doméstico chega a 7 gigaflops). Essa capacidade também levanta questões de segurança, pois com esse poder, qualquer sistema criptográfico atual poderia ser quebrado com facilidade.

Devido ao seu tamanho e instabilidade, trabalhar com uma máquina de milhares de qubits é no momento inviável, fato comprovado quando uma análise é feita no D-Wave Two, o computador quântico mais avançado atualmente: ele custou 15 milhões de dólares, utiliza nióbio, que é um metal raro, e possui 512 qubits de informação. Ainda assim, as máquinas quânticas atuais não funcionam plenamente, pois quando um qubit está nos dois dígitos, eles podem voltar a ser 0 ou 1, o que desacelera o seu funcionamento, e um erro causado por essas mudanças de valores pode inutilizar todo o computador.

Técnicas para localizar esse erro existem, mas elas não são capazes de descobrir um erro no momento em que ele acontece. Mas, graças à IBM, esse erro foi resolvido, pois ela criou um sistema capaz detectar qubits defeituosos e corrigir sua informação automaticamente. Isso tornará o uso do computador quântico mais seguro, que permitirá a fabricação em larga escala, facilitando a evolução dessa tecnologia.

Outro grande avanço no caminho para tornar a produção em larga escala de computadores quânticos possível foi publicada por pesquisadores da Universidade de Sussex. O método utilizado para a produção dos computadores quânticos consistia no uso de íons aprisionados por feixes de laseri, e cada íon posteriormente constituiria um bit quântico. O problema desse procedimento está no fato de que um computador quântico pode precisar de milhares de bits quânticos para um bom funcionamento, e isso significa que em sua produção milhares de lasers devem ser precisamente alinhados, estando eles muito próximos uns dos outros.

Já no novo método, tensões são aplicadas a um microchip, o que permite que os feixes não tenham a necessidade de estar alinhados. Tal procedimento mostrou resultados com uma taxa de erro muito baixa, visto que ainda existem otimizações a serem feitas.

Com isso, a previsão de décadas para o uso de computadores quânticos em atividades básicas pode ter sido reduzida a anos, pois alguns dos maiores obstáculos impedindo seu avanço foram superados. Ainda assim, as dificuldades com o uso do equipamento ainda existem e provavelmente serão as próximas etapas da pesquisa após a facilitação no processo de produção. O esperado é que os computadores quânticos sejam uma revolução semelhante a que foi gerada pelos computadores clássicos.

Referências: 

Google Makes Quantum Computing Breakthrough With Qubit Correction System. Anthony Cuthbertson. Disponível em http://www.ibtimes.co.uk/google-makes-quantum-computing-breakthrough-qubit-correction-system-1490596. Acesso em 23 de dezembro de 2016.

Construction of Pratical Quantum Computers Radically Simplified. Disponível em http://www.sussex.ac.uk/broadcast/read/38093. Acesso em 23 de dezembro de 2016.

Quantum Computing. Disponível em http://www.dwavesys.com/quantum-computing. Acesso em 23 de dezembro de 2016.