Da conversa
Escrito por Muhammad Usman
Chefe de Sistemas Quânticos e Cientista Pesquisador Principal, CSIRO
Nos últimos anos, o campo da computação quântica tem crescido rapidamente, com avanços tecnológicos e grandes investimentos sendo notícia regularmente.
As Nações Unidas designaram 2025 como o Ano Internacional da Ciência e Tecnologia Quântica.
Os números são elevados – ter computadores quânticos pode significar acesso a um enorme poder de processamento de dados em comparação com o que temos hoje. Eles não substituirão o seu computador normal, mas ter esse tipo de poder computacional incrível proporcionará avanços na medicina, química, ciência dos materiais e outros campos.
Portanto, não é nenhuma surpresa que a computação quântica esteja rapidamente se tornando uma corrida global, e que a indústria privada e os governos de todo o mundo estejam correndo para construir o primeiro computador quântico em grande escala do mundo. Para conseguir isso, primeiro precisamos ter processadores ou chips quânticos estáveis e escaláveis.
O que é um chip quântico?
Os computadores comuns – como o seu laptop – são computadores antigos. Eles armazenam e processam informações na forma de números binários ou bits. Um único bit pode representar 0 ou 1.
Em contraste, a unidade básica de um chip quântico é um qubit. Um chip quântico é feito de muitos qubits. Geralmente são partículas subatômicas, como elétrons ou fótons, que são controladas e manipuladas por campos elétricos e magnéticos especialmente projetados (conhecidos como sinais de controle).
Ao contrário de um pequeno, um qubit pode ser colocado no estado 0, 1 ou uma combinação de ambos, também conhecido como “estado alto”. Essa arquitetura exclusiva permite que processadores quânticos armazenem e processem conjuntos de dados muito grandes com muito mais rapidez do que o computador clássico mais poderoso.
Existem diferentes maneiras de fazer qubits – pode-se usar dispositivos supercondutores, semicondutores, fotônica (luz) ou outros métodos. Cada método tem suas vantagens e desvantagens.
Empresas como IBM, Google e QueRa têm roteiros para expandir massivamente os processadores quânticos até 2030.
Os participantes da indústria que usam semicondutores são a Intel e empresas australianas como Diraq e SQC. Importantes desenvolvedores de computadores quânticos fotônicos incluem PsiQuantum e Xanadu.
Qubits: qualidade versus quantidade
Quantos qubits um chip quântico possui é na verdade menos importante do que nível de qubits.
Um chip quântico feito de milhares de qubits de baixa qualidade não seria capaz de realizar nenhum trabalho computacional útil.
Então, o que torna um qubit de qualidade?
Qubits são muito sensíveis a interferências indesejadas, também conhecidas como erros ou ruídos. Esse ruído pode vir de muitas fontes, incluindo imperfeições no processo de fabricação, problemas de sinal de controle, mudanças de temperatura ou até mesmo interações com o ambiente do qubit.
A propensão a erros reduz a confiabilidade do qubit, conhecida como confiabilidade. Para que um chip quântico permaneça estável por tempo suficiente para executar tarefas computacionais complexas, ele precisa de qubits confiáveis.
Quando os pesquisadores comparam o desempenho de diferentes chips quânticos, a confiabilidade do qubit é um dos principais parâmetros que eles usam.
Como corrigimos erros?
Felizmente, não precisamos construir qubits perfeitos.
Nos últimos 30 anos, os pesquisadores desenvolveram técnicas teóricas que usam vários qubits imperfeitos ou confiáveis para codificar um “qubit lógico”. Um qubit lógico é protegido contra erros e, portanto, possui confiabilidade muito alta. Um processador quântico útil seria baseado em muitos qubits lógicos.
Quase todos os principais engenheiros de chips quânticos estão agora usando essas ideias, mudando seu foco de qubits para qubits lógicos.
Em 2024, muitos pesquisadores e empresas de computação quântica fizeram grandes progressos na correção de erros quânticos, incluindo Google, QueRa, IBM e CSIRO.
Chips quânticos contendo mais de 100 qubits já estão disponíveis. Eles são usados por muitos pesquisadores em todo o mundo para testar quão boa é a atual geração de computadores quânticos e como eles podem ser melhorados nas gerações futuras.
Atualmente, os desenvolvedores criaram apenas um qubit lógico. Provavelmente levará alguns anos para descobrir como montar alguns qubits lógicos em um chip quântico que possa funcionar em paralelo e resolver problemas complexos do mundo real.
Para que serão úteis os computadores quânticos?
Um processador quântico totalmente funcional será capaz de resolver problemas muito complexos. Isto pode levar a um impacto revolucionário em muitas áreas da investigação, tecnologia e economia.
Os computadores quânticos podem nos ajudar a descobrir novos medicamentos e melhorar a pesquisa médica, encontrando novas conexões em dados de ensaios clínicos ou genes para os quais os computadores atuais não têm poder de processamento suficiente.
Podem também melhorar significativamente a segurança de vários sistemas que utilizam algoritmos de inteligência artificial, tais como sistemas bancários, manobras militares e veículos autónomos, para citar alguns.
Para conseguir tudo isso, primeiro precisamos alcançar um marco conhecido como supremacia quântica – onde um processador quântico resolve um problema que levaria um tempo impossível para um computador antigo resolver.
No final do ano passado, o chip quântico Willow do Google finalmente demonstrou um salto quântico no desempenho – um problema computacional projetado para ser difícil para supercomputadores clássicos, mas fácil para processadores quânticos devido à sua forma única de trabalhar.
Embora não tenha resolvido um problema prático do mundo real, ainda é uma conquista notável e um passo importante na direção certa que exigiu anos de pesquisa e desenvolvimento. Afinal, para uma pessoa correr, primeiro ela deve aprender a andar.
O que está reservado para 2025 e além?
Nos próximos anos, os chips quânticos continuarão a crescer. É importante ressaltar que a próxima geração de processadores quânticos será suportada por qubits lógicos, capazes de lidar com tarefas cada vez mais úteis.
Embora o hardware quântico (isto é, processadores) tenha se desenvolvido em ritmo acelerado, não podemos ignorar a enorme quantidade de pesquisa e desenvolvimento na área de software e algoritmos quânticos.
Usando simulações quânticas em computadores convencionais, os pesquisadores têm desenvolvido e testado vários algoritmos quânticos. Isso tornará o computador quântico adequado para aplicações práticas onde o hardware quântico está travado.
Construir um computador quântico em grande escala é uma tarefa difícil. Exigirá avanços simultâneos em muitas áreas, como aumentar o número de qubits em um chip, melhorar a confiabilidade dos qubits, melhor correção de erros, software quântico, algoritmos quânticos e vários outros campos da computação quântica.
Depois de muitos anos de trabalho de base incrível, podemos esperar que 2025 traga novas conquistas em todos os itens acima.
