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Física e a Computação Quântica

Carlos Cesar Costa e Antonio José Silva Oliveira/ UFMA07/05/2021
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São Luís - Neste artigo abordaremos o aspecto peculiar da computação quântica, que utiliza uma propriedade das partículas do universo atômico como princípio elementar de seu funcionamento, a saber: o princípio da dualidade onda-partícula, também conhecido como princípio da superposição. Tem como autores o consultor científico desta coluna e o prof. Carlos César Costa - LCN – Bio, Campus da UFMA de Pinheiro. Professor Carlos Cesar tem mestrado em Física e, no momento, está no programa de Doutorado pela UERJ.O presente estudo tem como autores o consultor científico desta coluna e o prof. Carlos César Costa - LCN – Bio, Campus da UFMA de Pinheiro. Professor Carlos César tem mestrado em Física e, no momento, está no programa de Doutorado pela UERJ.

Pelo princípio da dualidade onda-partícula, as partículas subatômicas podem existir simultaneamente, em diferentes estados. Para os propósitos didáticos deste trabalho, consideraremos o bit quântico, ou qubit, que pode assumir três valores característicos: 1 (um), 0 (zero) ou 1 e 0 simultaneamente.

Uma outra propriedade das partículas existentes no universo atômico é que elas podem ser emaranhadas. O emaranhamento de partículas tem um efeito singular: elas podem influenciar o comportamento umas das outras de modo onisciente e onipresente. Tal comportamento foi denominado por Einstein de “ação fantasmagórica a distância”. A combinação do princípio da dualidade onda-partícula com o do emaranhamento leva a aumentos exponenciais no poder de computação a cada qubit adicional.

Figura 1 – Emaranhamento quântico em um cristal não linear iluminado por um laser forte, o comprimento de onda do fóton é convertido no valor ideal para viagens de longa distância. (IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch)

O nascimento da computação quântica está imbricado com a Física que emergiu no início do século XX, que tinha por propósito explicar os fenômenos na escala atômica. Ela foi erigida sob uma base teórica sólida que vem sendo exaustivamente testada e é considerada a mais bem-sucedida de toda a ciência. No entanto, traz em seu âmago, uma descrição de mundo em termos de probabilidades e incertezas, em contraste com a ideia de ciência do século XIX, que estava baseada no princípio do determinismo1 ou mecanicismo newtoniano-cartesiano. Portanto a Física Quântica nos diz que a realidade física não é definida até a efetivação do “ato de observar”. Sobre essa questão, na edição de julho de 2019, (Vida Ciência, 25/07/2019, quinta-feira, Jornal O Estado, São Luís – Maranhão), na coluna Vida Ciência, foi abordado o estranho comportamento do gato de Schrödinger, que pode estar vivo ou morto ou “vivo e morto” simultaneamente.

Sendo assim, os sistemas estudados na Física Quântica, mais precisamente os estados quânticos, podem não ser bem-definidos. Tomemos como exemplo um átomo de hidrogênio, que pode estar no estado 1s ou, talvez, no estado 2p. Entretanto há outra possibilidade de configuração eletrônica. Sistemas quânticos podem existir como uma superposição de dois ou mais estados quânticos.
Levantamos a possibilidade de superposição quando examinamos o experimento da dupla fenda à luz da Física Quântica. Observamos que um fóton, ou um elétron, deve, de certa forma, atravessar ambas as fendas e, então, interferir consigo mesmo de modo a produzir um padrão de interferência no anteparo. Suponha que um elétron que tenha passado pela fenda superior na figura esteja no estado quântico a. Já um elétron que tenha passado pela fenda inferior está no estado b.

Figura 2 - O elétron que emerge da dupla fenda, encontra-se em um estado de superposição

Dizer que um elétron atravessa ambas as fendas é o mesmo que dizer que o elétron emerge da dupla fenda no estado de superposição:

Equação 1 - Superposição entre dois estados quânticos e a condição de normalização.

em que os coeficientes alfa e beta devem satisfazer à condição de normalização (Note que isso se parece com a determinação do módulo de um vetor com base em seus componentes). Se fôssemos detectar o elétron, alfa ao quadrado e beta ao quadrado seriam as probabilidades de encontrar o elétron no estado a ou no estado b, respectivamente. Mas até que detectemos esse elétron, ele existe em um estado de superposição de ambos os estados a e b. É justamente a superposição que permite ao elétron interferir consigo mesmo e produzir o padrão de interferência.

Mas qual é a relação disso tudo com os computadores? Como você já sabe, tudo o que um moderno computador digital faz, desde navegar na internet até cálculos pesados, é realizado por meio da manipulação de sequências binárias de 0s (zeros) e 1s (uns). O conceito de computação com bits binários remonta ao cientista, matemático, filósofo, engenheiro mecânico e inventor inglês Charles Babbage (1791 – 1871), em meados do século XIX, mas, somente na metade do século XX, os cientistas e engenheiros desenvolveram a tecnologia que provê uma representação física para esse conceito.

Todo bit binário é sempre uma representação de 1 ou de 0, não existe outro estado intermediário. Isso é representado em um microprocessador moderno por pequenos capacitores que estão carregados ou não carregados.

Suponha que desejemos representar informações não por meio de capacitores, mas por meio de um sistema quântico que possua dois estados. Podemos dizer, então, que esse sistema representa um 0 quando se encontra no estado a, e um 1 no estado b. Esse sistema quântico equivale a um bit binário qualquer desde que o sistema esteja em um dos estados.

Contudo, ao contrário do bit clássico, o sistema quântico tem a possibilidade de estar em um estado de superposição. Usando 0 ou 1 em lugar de estados a e b, poderíamos dizer que o sistema pode estar no estado:

Equação 2 - Superposição de um sistema quântico em um estado 0 ou 1.

Essa unidade básica da computação quântica é chamada de qubit ou qbit (quantum bit), que é, na verdade, uma unidade de informação quântica. À primeira vista, pode parecer que poderíamos realizar a mesma coisa com um sistema clássico ao permitir que a carga do capacitor varie, mas um capacitor parcialmente carregado ainda se encontra em um estado único e bem-definido. Em contraste, um qubit — analogamente ao elétron que atravessa ambas as fendas — encontra-se no estado 0 e no estado 1, ao mesmo tempo.

Para ilustrar as possibilidades, imagine que você tenha três bits clássicos e três qubits. Os três bits podem representar oito números (dois elevado ao cubo) diferentes ou objetos (de 000 a 111), mas apenas um de cada vez. Os três qubits representam todos os oito números simultaneamente. Para realizar uma operação matemática, você tem de efetuá-la oito vezes com os três bits clássicos para obter todos os resultados possíveis. Com três qubits, entretanto, você teria todos os oito resultados simultaneamente derivados de uma só operação. Em geral, calcular com “n” qubits fornece teoricamente uma melhoria da ordem de 2n (dois elevado a n) em relação ao mesmo cálculo efetuado com n bits.

Figura 3 – Processador Sycamore, projetado pelo Google, com 54 qubits dispostos em uma grade bidimensional. Crédito: Google

Essa mudança de paradigma ocorre em função de a tecnologia quântica ser fundamentada sobre postulados distintos da computação clássica, que se apoia na lógica binária, em que um bit vale 1 ou 0, enquanto que os computadores quânticos usam qubits para realizarem cálculos. Portanto um qubit pode valer 1, 0 ou alguma combinação intermediária dos dois ao mesmo tempo. Esse fato possibilita resolver problemas aparentemente impossíveis nos dias de hoje, como, por exemplo, simulações extremamente precisas e complexas sobre o comportamento do clima do planeta, estudos avançados sobre o comportamento de proteínas, órgãos e células do corpo humano, controle de pandemia, entre outros. Os qubits apresentam características que são regidas pelas leis da Física Quântica, que explica fenômenos subatômicos extremamente pequenos e rápidos.

Diferentemente dos laptops tradicionais, os computadores quânticos são relativamente grandes (ver figura 3). Em primeira aproximação, análogos ao primeiro Computador e Integrador Numérico Eletrônico, o ENIAC, que foi lançado no ano de 1946. Para além das dimensões, um computador quântico precisa operar sob temperaturas extremamente baixas, ou melhor, próximas do zero absoluto (– 273 graus centigrados, ou zero grau Kelvin) – que é mais frio do que o espaço sideral. Também precisam ser alocados em ambientes com um bom isolamento contra vibrações, pois até mesmo o movimento de pessoas próximas faz o processamento colapsar.

Figura 4 - Computador quântico da IBM. Crédito: IBM

Nos dias atuais, estamos presenciando uma verdadeira corrida pela supremacia quântica2 entre os principais centros de pesquisas (Google, IBM, D-Wave, Honeywell, IonQ, Microsoft etc.) do planeta. Além do mais, a computação quântica está vivenciando o seu primeiro boom de startups. Isso porque as universidades, empresas e os investidores começaram a enxergar o potencial da computação quântica fora dos laboratórios. A IBM, por exemplo, está planejando instalar suas máquinas nos escritórios de seus clientes. No fim do mês passado, a IBM anunciou uma parceria de pesquisa em saúde com a Cleveland Clinic, nos EUA, na qual envolverá a instalação de um computador quântico para os laboratórios do hospital no ano que vem. Com essa parceria, a Cleveland Clinic deverá receber o primeiro sistema quântico de mais de 1.000 qubits nos próximos anos.

A priori, podemos afirmar, teoricamente, que computação quântica se encontra ainda no estágio conceitual, tal como os computadores digitais há 50 anos. Que tipo de sistema quântico pode realmente ser colocado em estado de superposição adequado? Como manipularemos os qubits? Como as informações de entrada (in) e de saída (out) serão lidas? Que tipos de cálculos seriam significativamente mais rápidos com o uso da computação quântica?

Todas essas questões estão sendo investigadas ativamente nos dias de hoje. A computação quântica ainda está engatinhando, e a tecnologia para um computador quântico efetivo ainda não é totalmente conhecida. Assim como Charles Babbage jamais poderia ter imaginado os computadores de que hoje dispomos, o uso dos computadores quânticos no futuro ainda é difícil de prever. Porém certamente existem muitos usos que algum de vocês poderá ajudar a inventar.

Enquanto este futuro não chega se puderes, permaneça em casa, pratique o isolamento social, use álcool em gel, faça uma boa higienização e, acredite na Ciência e nos cientistas.

Notas explicativas

1- Em linhas gerais, o princípio de determinismo afirma que, se conhecermos as leis que regem o funcionamento do universo e o seu exato estado atual, poderemos, sem sombra de dúvida, prever toda a sua evolução futura.

2- A supremacia quântica é uma espécie de ‘Santo Graal” para os pesquisadores da área e, está relacionada com o fato de que um computador quântico tenha efetivamente realizado uma operação matemática impossível de ser feita, em tempo razoável, por uma máquina clássica, que opera com sistema binário.

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