3 maneiras de construir um computador quântico

Nosso mundo atual, onde empresas farmacêuticas levam anos para descobrir novos medicamentos ou temos governos quebrando a cabeça para lidar com a logística de alimentar uma população mundial em crescimento, o computador quântico tem um grande potencial para acelerar processos como esses em uma velocidade jamais vista.

Grandes empresas, start-ups e laboratórios universitários estão numa corrida acirrada para desenvolver essas máquinas futurísticas, e todos estão de olho no grande prêmio: atingir a “vantagem quântica“, que é basicamente quando um computador quântico resolve um problema que um computador convencional nem se atreveria a tentar.

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O que torna o computador quântico tão especial?

Tudo se resume ao qubit, o protagonista da nossa história. Se os dispositivos que você tem em casa – como smartphones e laptops – trabalham com transistores que entendem a linguagem do “sim” e “não” (ou 1 e 0), os qubits vão um passo além. Eles são como supertransistores, capazes de ficar nos estados “sim” e “não” ao mesmo tempo. E eles têm essa habilidade incrível de se “entrelaçar”, o que significa que podem se comunicar de maneiras misteriosas, mesmo estando a quilômetros de distância um do outro.

A Nathalie de Leon, uma física quântica de Princeton, diz que essa característica dos qubits muda totalmente a forma como os cálculos são realizados no computador quântico. Imagina ter uma ferramenta que aproveita essa “estranheza” quântica para desenvolver novos tipos de algoritmos. É um potencial gigantesco!

E do que são feitos esses qubits? Os cientistas estão em pleno modo experimental quando o assunto é computador quântico. Alguns estão usando cristais nanométricos, outros estão brincando com defeitos em diamantes e tem até quem esteja explorando partículas que funcionam como suas próprias antipartículas. Cada abordagem tem seus prós e contras e, por enquanto, é difícil dizer qual será a vencedora nessa corrida.

Marina Radulaski, da Universidade da Califórnia, Davis, acredita que ainda é cedo demais para apostar em um único caminho, mas uma coisa é certa: estamos diante de um futuro fascinante e repleto de descobertas. Vamos dar uma olhada nas hipóteses.

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O qubit supercondutor

Sobre a Popularidade: IBM e Google entraram de cabeça no universo do qubit supercondutor. Enquanto o supercomputador da Google ostenta 53 qubits, a IBM não fica para trás com seus 433. Mas, lembrando, nem sempre mais é sinônimo de melhor neste caso.

Materiais: A Google escolheu o alumínio, e a IBM, sempre inovando, decidiu misturar alumínio com nióbio. Parece que ambos são os favoritos quando o assunto é qubit supercondutor.

Como funciona: Pensem em um pequeno laço de metal atuando como um átomo, uma entidade quântica intrigante. Os qubits possuem dois estados distintos que são como as energias desse “átomo artificial” e são manipulados por pulsos de micro-ondas.

Vantagens: O que torna esse qubit tão interessante é que ele se integra muito bem com a tecnologia de transistores já consolidada. E mais um detalhe: o processador desse qubit é quase do tamanho de uma unha, o que é importante considerar se pensarmos que para um computador quântico realmente revolucionário, seria necessário algo entre um milhão e 10 milhões de qubits.

Desafios: Mesmo que esses qubits sejam compactos e relativamente baratos de fabricar, o maquinário necessário para operá-los é bem mais complexo. Para que atuem como um átomo, precisam ser resfriados quase ao zero absoluto, o que demanda uma geladeira superpotente e nada barata. Para complicar ainda mais, cada qubit, requer no mínimo dois fios e alguns outros componentes. Então, a conta pode ficar um pouco puxada.

Projeções e Desafios Futuros: Atualmente, conseguimos manter apenas algumas dezenas ou centenas de qubits nessa geladeira high-tech do computador quântico. Mas os cientistas já estão traçando planos para ampliar essa capacidade para milhares ou até milhões de qubits interligados. O grande desafio é saber como transferir informação quântica de um qubit para outro e saber como fazer isso é o “santo graal” dessa tecnologia, mas é algo bem difícil, segundo Britton Plourde, especialista em qubit supercondutor da Universidade de Syracuse.

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O qubit de íon aprisionado

Popularidade: Enquanto os qubits supercondutores são a aposta de gigantes como Google e IBM, o qubit de íon aprisionado também tem seus fãs. Essa tecnologia vem ganhando terreno e chamando a atenção de muitos entusiastas, como Alpine Quantum Technologies, IonQ e Quantinuum.

Material: As empresas estão explorando íons de cálcio e itérbio em seus sistemas para fazer o computador quântico.

Como funciona: Imagine um átomo ou molécula carregado que age como um pequeno ímã. Esses qubits têm dois estados distintos, determinados pela orientação desse ímã, e são ajustados com precisão usando um laser ultrafino.

Características: Cada computador baseado em íons aprisionados tem sua peculiaridade, mas, em geral, todos possuem elementos comuns: um chip do tamanho de uma moeda, uma câmara de vácuo que lembra uma lata de refrigerante, alguns lasers precisos e um detector de luz. O chip é o coração do sistema, aprisionando os íons entre seus circuitos microscópicos.

Vantagens: Uma das maiores vantagens desse qubit é sua estabilidade. Devido ao vácuo ao seu redor, seu estado quântico permanece praticamente intacto, permitindo que ele retenha informações por muito mais tempo do que os qubits supercondutores.

Desafios: No entanto, essa durabilidade apresenta desafios. Embora sejam excelentes para armazenamento, os qubits de íon aprisionado enfrentam dificuldades em realizar cálculos complexos rapidamente. A interação mínima com o ambiente, que é uma vantagem para o armazenamento, acaba tornando difícil controlar as interações entre os qubits durante os cálculos.

Projeções e Desafios Futuros: Assim como seu primo supercondutor, o qubit de íon aprisionado enfrenta desafios de escalabilidade. Cada chip consegue abrigar apenas algumas dezenas de íons antes que suas interações se tornem um emaranhado complicado. E para sonhar com milhões de qubits os cientistas precisam pensar em formas inovadoras de conectar múltiplos módulos e câmaras.

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O qubit de átomo neutro

Popularidade: No mundo da pesquisa, cientistas já criaram vetores que vão de dois a impressionantes 1.000 qubits de átomo neutro. A empresa QuEra, por exemplo, está na vanguarda com um computador que possui 256 átomos neutros de rubídio.  O engenheiro de computação quântica Jeff Thompson, de Princeton, diz que com avanços nas lentes e lasers, esse número pode crescer para mais de 10.000 e adicionar mais qubits é uma questão de dividir ainda mais o laser.

Como funciona: Diferente de seus primos baseados em átomos carregados, os qubits de átomo neutro não dependem da eletricidade para manter os átomos em posição, mas sim da luz. Imagine lasers brilhando através de uma lente e, ao fazer isso, dividindo-se em múltiplos pontos de luz que seguram cada átomo. Parece ficção científica, né? Mas é a ciência quântica em ação, e ainda usa-se outros feixes de laser para operar os qubits.

Características: Aqui temos uma notícia animadora. Os qubits de átomo neutro demonstram ser bem resilientes, mantendo suas informações intactas por dezenas de segundos.

Desafios: O grande obstáculo para esses qubits é a velocidade. Eles realizam poucas operações por segundo, muito menos se comparados aos sistemas de qubit supercondutor. E, enquanto criar qubits de átomo neutro pode parecer simples, operá-los exige uma precisão incrível, especialmente quando falamos de cálculos complexos.

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O caminho para encontrar a melhor solução para o computador quântico

Luca Dellantonio, físico quântico da Universidade de Exeter, lembra que ainda estamos a um bom caminho de desenvolver um computador quântico que supere os computadores clássicos, e o maior desafio é lidar com os erros que surgem com muito mais frequência no mundo quântico, e esses erros podem ser causados por qualquer coisa, desde radiação até eventos aparentemente desconexos.

A jornada do computador quântico está só começando, e aqui só é um lampejo do que está rolando. Cada um desses métodos tem suas próprias vantagens, desafios e peculiaridades, mas é fato que estamos à beira de uma revolução tecnológica que promete transformar a maneira como processamos informações.

Os desafios são muitos, mas cedo ou tarde esse computador quântico vai rolar!

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Fonte: Scientific American