Imagem: Na representação geométrica de um estado quântico de dois níveis, um qubit, como um spin, pode ser representado por um ponto em uma esfera.
Nesta esfera de Bloch, o primeiro qubit (qubit 0) está no estado 100% quântico |1>, enquanto o segundo qubit (qubit 1) está no estado 100% quântico |0>.
Os pontos na superfície da esfera correspondem aos estados puros (descritos por um único vetor) do sistema, enquanto os pontos internos correspondem aos estados mistos, 20% |0> + 80% |1> (descrito por sua matriz de densidade com comprimentos e ângulos).
Crédito: IBM Quantum Computer.
O qubit
Em uma escala microscópica, o computador quântico usa as propriedades quânticas da matéria, em particular a superposição de estados.
O computador quântico ou processador quântico funciona em qubits cujos valores 0 e 1 (notação para estados quânticos: |0> ou |1>) são todos sobrepostos ao contrário do computador clássico cujos valores são 0 ou 1. Em outras palavras, com um computador clássico 2 bits correspondem a 2 pedaços de informação, com um computador quântico 2 qubits correspondem a 4 pedaços de informação onde cada pedaço de informação é probabilístico, 10% |00> + 25% |01> + 60% |10> + 5% |11>.
Assim, 4 bits correspondem a 4 informações e 4 qubits a 16 informações probabilísticas. Cada vez que adicionamos 1 qubit multiplicamos por 2 o número de informações (2N) que o computador quântico pode processar ao mesmo tempo, então vai para 2N vezes mais rápido do que um computador convencional.
N qubits representa uma superposição de 2N estados quânticos mistos, então a velocidade de processamento aumenta exponencialmente com o número de qubits (com 20 qubits o fator de ganho é 1 milhão).
Uma metáfora interessante nos permite comparar a computação clássica e a computação quântica. Se você estiver procurando por alguém em uma sala de 1000 pessoas que tenha um metro e oitenta de altura e fale inglês, os computadores tradicionais devem entrevistar cada participante um por um e anotar as respostas, o que levará algum tempo. Para a computação quântica, é como se estivéssemos lançando uma chamada geral "As pessoas que têm um metro e oitenta e falam inglês podem levantar as mãos?" », A resposta é quase instantânea. Nesse caso, o cálculo é holístico e não mais sequencial.
Com uma potência de 40 qubits, poderíamos atingir a potência do maior computador existente em 2021 (Behold Summit da IBM). A vantagem de um computador quântico é, portanto, realizar cálculos muito mais rápidos!
Um computador quântico capaz de manipular 70 qubits (270 de informação) de forma controlada, poderia fornecer um resultado imediato em 10 bilhões de terabytes de informação.
Esse número é enorme, de fato a cada ano na internet os usuários produzem cerca de 1 bilhão de terabytes de informação.
Esta máquina hiper-poderosa deve trabalhar com algoritmos específicos (algoritmos de Glover, Shor, Brassard, Høyer e Tapp, Farhi, Goldstone, Gutmann, etc.). Esses algoritmos quânticos permitem realizar certos cálculos "muito particulares" com extrema rapidez, hoje fora do alcance de um computador convencional.
Aviso, o computador quântico não poderá ser mais rápido do que o computador clássico para aplicativos de consumo como mecanismo para processamento de texto, vídeo, música etc.
Computadores quânticos muito menos versáteis, portanto, não serão usados como computadores convencionais, portanto, não serão para o público em geral.
N.B.: Um qubit é o portador físico da informação quântica. É a versão quântica de um bit, e seu estado quântico pode assumir valores de |0>, |1>, ou a combinação linear de ambos, que é um fenômeno conhecido como superposição.
Computador quântico
Imagem: Workflow que consiste em enviar um trabalho de um computador clássico para um computador quântico IBM. Uma vez que o trabalho é feito, o resultado da medição quântica é devolvido ao computador convencional para análise e armazenamento.
Para minimizar erros, além da blindagem contra radiação, o computador deve ser imerso em um tanque de hélio líquido a uma temperatura próxima ao zero absoluto (-273°C).
Crédito da imagem: Andi Sama
Nos últimos anos, a maioria das atividades de pesquisa no computador quântico se esforçou pela supremacia quântica.
Infelizmente, seu desenvolvimento desde a década de 1990 é extremamente complexo porque o fenômeno de decoerência (perda de efeitos quânticos ao passar para a escala macroscópica) vai de encontro à realização física dos elementos básicos: os qubits. Ainda hoje, um dos maiores desafios na construção de computadores quânticos é controlar ou remover a decoerência quântica.
Muitos pesquisadores expressaram ceticismo sobre a possibilidade de construir computadores quânticos evolutivos, geralmente devido ao problema de manter a consistência em larga escala.
Em 1998, a IBM apresentou uma calculadora quântica de 2 qubits, 5 qubits em 2000 e em 2017 sistemas equipados com 16 qubits. Em 2017, a IBM executa uma calculadora de 50 qubits por 90 microssegundos atingindo o limiar teórico da supremacia quântica.
Em 2019, o Google criou o Sycamore, um processador quântico de 53 qubits com um poder presumido de 10 trilhões de estados quânticos sobrepostos.
Google teria alcançado a supremacia quântica!
O artigo publicado pelo Google em 23 de outubro de 2019 na revista científica Nature, mostra que, pela primeira vez desde a década de 1990, a computação quântica é possível. Este artigo foi submetido para avaliação por pesquisadores externos. A IBM em concorrência com o Google publicou um artigo dizendo que o cálculo que levaria 10.000 anos segundo o Google com um computador convencional, seria realizável em apenas 3 dias com outro algoritmo e aumentando a memória RAM para 250 milhões de Go.
O computador quântico é muito vulnerável a erros em qubits, o que requer códigos de correção de erros muito sofisticados. Para minimizar erros, além da blindagem contra radiação, o computador deve ser imerso em um tanque de hélio líquido a uma temperatura próxima ao zero absoluto (-273°C).
De fato, ele deve ser completamente isolado do mundo exterior durante a fase de computação porque não deve interagir com outros objetos quânticos.
Quanto mais qubits o sistema tiver, mais o tempo durante o qual ele permanece coerente diminui, e até diminui exponencialmente. Além de um certo número de átomos, a duração é zero.
Em conclusão, os computadores quânticos provavelmente não serão dedicados a aplicações do público em geral, mas sim a cálculos analíticos (mercados financeiros, modelos climáticos, simulações de física de partículas, visão inteligente, modelagem de moléculas, pesquisa em bancos de dados gigantescos, criptografia etc.). Além disso, eles serão acoplados a computadores convencionais para serem controlados.
N.B.: A supremacia quântica (termo introduzido pelo físico John Preskill) designa o número de qubits além do qual nenhum supercomputador clássico é capaz de alcançar o poder computacional de um computador quântico. O supercomputadore pode atingir o poder computacional de um computador quântico de 40 qubits, mas a partir de 50 qubits torna-se fisicamente impossível, o tempo de computação seria inaceitável (milhares de anos).