Estamos cada vez mais perto de ter computadores quânticos práticos – eis para que eles serão usados

Em 1981, o físico americano e ganhador do Prêmio Nobel, Richard Feynman, deu uma palestra no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), perto de Boston, na qual delineou uma ideia revolucionária. Feynman sugeriu que a estranha física da mecânica quântica poderia ser usada para realizar cálculos.

O campo da computação quântica nasceu. Nos mais de 40 anos desde então, tornou-se uma área intensiva de pesquisa em ciência da computação. Apesar de anos de desenvolvimento frenético, os físicos ainda não construíram computadores quânticos práticos que sejam adequados para o uso diário e em condições normais (por exemplo, muitos computadores quânticos operam em temperaturas muito baixas). Ainda permanecem dúvidas e incertezas sobre as melhores formas de atingir este marco.

O que exatamente é a computação quântica e quão perto estamos de vê-la ser amplamente utilizada? Vejamos primeiro a computação clássica, o tipo de computação em que confiamos hoje, como o laptop que estou usando para escrever este artigo.

Os computadores clássicos processam informações usando combinações de “bits”, suas menores unidades de dados. Esses bits têm valores de 0 ou 1. Tudo o que você faz no seu computador, desde escrever e-mails até navegar na web, é possível processando combinações desses bits em sequências de zeros e uns.

Os computadores quânticos, por outro lado, usam bits quânticos, ou qubits. Ao contrário dos bits clássicos, os qubits não representam apenas 0 ou 1. Graças a uma propriedade chamada superposição quântica, os qubits podem estar em vários estados simultaneamente. Isso significa que um qubit pode ser 0, 1 ou ambos ao mesmo tempo. Isto é o que dá aos computadores quânticos a capacidade de processar grandes quantidades de dados e informações simultaneamente.

Imagine ser capaz de explorar todas as soluções possíveis para um problema de uma só vez, em vez de uma de cada vez. Isso permitiria que você navegasse por um labirinto, tentando simultaneamente todos os caminhos possíveis ao mesmo tempo para encontrar o caminho certo. Os computadores quânticos são, portanto, incrivelmente rápidos em encontrar soluções ideais, como identificar o caminho mais curto, o caminho mais rápido.

Pense no problema extremamente complexo de reprogramar voos de companhias aéreas após um atraso ou um incidente inesperado. Isto acontece com regularidade no mundo real, mas as soluções aplicadas podem não ser as melhores ou ideais. Para determinar as respostas ideais, os computadores padrão precisariam considerar, uma por uma, todas as combinações possíveis de movimentação, reencaminhamento, atraso, cancelamento ou agrupamento de voos.

Todos os dias ocorrem mais de 45.000 voos, organizados por mais de 500 companhias aéreas, ligando mais de 4.000 aeroportos. Este problema levaria anos para ser resolvido em um computador clássico.

Por outro lado, um computador quântico seria capaz de testar todas essas possibilidades de uma só vez e deixar surgir organicamente a melhor configuração. Qubits também possuem uma propriedade física conhecida como emaranhamento. Quando os qubits estão emaranhados, o estado de um qubit pode depender do estado de outro, não importa a distância entre eles.

Isto é algo que, novamente, não tem contrapartida na computação clássica. O emaranhamento permite que os computadores quânticos resolvam certos problemas exponencialmente mais rápido do que os computadores tradicionais.

Leia mais: Implantes cerebrais, IA agente e respostas sobre matéria escura: o que esperar da ciência em 2025 – podcast

Uma questão comum é se os computadores quânticos substituirão completamente os computadores clássicos ou não. A resposta curta é não, pelo menos não num futuro próximo. Os computadores quânticos são incrivelmente poderosos para resolver problemas específicos – como simular as interações entre diferentes moléculas, encontrar a melhor solução entre muitas opções ou lidar com criptografia e descriptografia. No entanto, eles não são adequados para todos os tipos de tarefas.

Os computadores clássicos processam um cálculo de cada vez em uma sequência linear e seguem algoritmos (conjuntos de regras matemáticas para a execução de tarefas computacionais específicas) projetados para uso com bits clássicos que são 0 ou 1. Isso os torna extremamente previsíveis, robustos e menos propenso a erros do que as máquinas quânticas. Para as necessidades diárias de computação, como processamento de texto ou navegação na Internet, os computadores clássicos continuarão a desempenhar um papel dominante.

Há pelo menos duas razões para isso. O primeiro é prático. Construir um computador quântico que possa executar cálculos confiáveis ​​é extremamente difícil. O mundo quântico é incrivelmente volátil e os qubits são facilmente perturbados por coisas em seu ambiente, como a interferência da radiação eletromagnética, o que os torna propensos a erros.

A segunda razão reside na incerteza inerente ao lidar com qubits. Como os qubits estão em superposição (não são 0 ou 1), eles não são tão previsíveis quanto os bits usados ​​na computação clássica. Os físicos, portanto, descrevem os qubits e seus cálculos em termos de probabilidades. Isso significa que o mesmo problema, usando o mesmo algoritmo quântico, executado várias vezes no mesmo computador quântico pode retornar uma solução diferente a cada vez.

Para resolver essa incerteza, os algoritmos quânticos normalmente são executados várias vezes. Os resultados são então analisados ​​estatisticamente para determinar a solução mais provável. Esta abordagem permite aos pesquisadores extrair informações significativas dos cálculos quânticos inerentemente probabilísticos.

Do ponto de vista comercial, o desenvolvimento da computação quântica ainda está numa fase inicial, mas o cenário é muito diversificado, com muitas novas empresas a surgir todos os anos. É fascinante ver que, além de grandes empresas estabelecidas como IBM e Google, novas estão se juntando, como IQM, Pasqal e startups como Alice e Bob. Todos estão trabalhando para tornar os computadores quânticos mais confiáveis, escaláveis ​​e acessíveis.

No passado, os fabricantes chamavam a atenção para o número de qubits nos seus computadores quânticos, como uma medida da potência da máquina. Os fabricantes estão priorizando cada vez mais formas de corrigir os erros aos quais os computadores quânticos estão sujeitos. Esta mudança é crucial para o desenvolvimento de computadores quânticos tolerantes a falhas em grande escala, uma vez que estas técnicas são essenciais para melhorar a sua usabilidade.

O mais recente chip quântico do Google, Willow, demonstrou recentemente um progresso notável nesta área. Quanto mais qubits o Google usou no Willow, mais reduziu os erros. Esta conquista marca um passo significativo na construção de computadores quânticos comercialmente relevantes que podem revolucionar campos como medicina, energia e IA.

Depois de mais de 40 anos, a computação quântica ainda está na sua infância, mas espera-se um progresso significativo na próxima década. A natureza probabilística dessas máquinas representa uma diferença fundamental entre a computação quântica e a clássica. É o que os torna frágeis e difíceis de desenvolver e escalar.

Ao mesmo tempo, é o que os torna uma ferramenta muito poderosa para resolver problemas de otimização, explorando múltiplas soluções ao mesmo tempo, de forma mais rápida e eficiente do que os computadores clássicos.