A vantagem quântica é o marco pelo qual o campo da computação quântica está trabalhando fervorosamente, onde um computador quântico pode resolver problemas que estão além do alcance dos mais poderosos computadores não quânticos, ou clássicos.
Quântico refere-se à escala de átomos e moléculas onde as leis da física, tal como as vivenciamos, se quebram e um conjunto diferente e contra-intuitivo de leis se aplica. Os computadores quânticos aproveitam esses comportamentos estranhos para resolver problemas.
Existem alguns tipos de problemas impraticáveis para os computadores clássicos resolverem, como quebrar algoritmos de criptografia de última geração. Pesquisas nas últimas décadas mostraram que os computadores quânticos têm potencial para resolver alguns desses problemas.
Se for possível construir um computador quântico que realmente resolva um desses problemas, ele terá demonstrado vantagem quântica.
Sou um físico que estuda o processamento quântico de informações e o controle de sistemas quânticos.
Acredito que esta fronteira de inovação científica e tecnológica não só promete avanços inovadores na computação, mas também representa um aumento mais amplo na tecnologia quântica, incluindo avanços significativos na criptografia quântica e na detecção quântica.
A fonte do poder da computação quântica
Central para a computação quântica é o bit quântico, ou qubit. Ao contrário dos bits clássicos, que só podem estar nos estados 0 ou 1, um qubit pode estar em qualquer estado que seja alguma combinação de 0 e 1. Esse estado de nem apenas 1 nem apenas 0 é conhecido como superposição quântica. A cada qubit adicional, o número de estados que podem ser representados pelos qubits dobra.
Esta propriedade é frequentemente confundida com a fonte do poder da computação quântica. Em vez disso, tudo se resume a uma intrincada interação de superposição, interferência e emaranhamento.
A interferência envolve a manipulação de qubits para que seus estados se combinem construtivamente durante os cálculos para amplificar soluções corretas e destrutivamente para suprimir as respostas erradas.
Interferência construtiva é o que acontece quando os picos de duas ondas – como ondas sonoras ou ondas oceânicas – se combinam para criar um pico mais alto. Interferência destrutiva é o que acontece quando um pico de onda e um vale de onda se combinam e se cancelam.
Os algoritmos quânticos, que são poucos e difíceis de conceber, estabelecem uma sequência de padrões de interferência que produzem a resposta correta para um problema.
O emaranhamento estabelece uma correlação quântica única entre qubits: o estado de um não pode ser descrito independentemente dos outros, não importa a distância entre os qubits. Isto é o que Albert Einstein descartou como “ação assustadora à distância”.
O comportamento coletivo do emaranhamento, orquestrado por meio de um computador quântico, permite acelerações computacionais que estão além do alcance dos computadores clássicos.
Aplicações da computação quântica
A computação quântica tem uma gama de usos potenciais onde pode superar os computadores clássicos. Na criptografia, os computadores quânticos representam uma oportunidade e um desafio. Mais notoriamente, eles têm o potencial de decifrar algoritmos de criptografia atuais, como o esquema RSA amplamente utilizado.
Uma consequência disso é que os protocolos de criptografia atuais precisam ser reprojetados para serem resistentes a futuros ataques quânticos. Este reconhecimento levou ao florescente campo da criptografia pós-quântica.
Após um longo processo, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia selecionou recentemente quatro algoritmos resistentes a quantum e iniciou o processo de prepará-los para que organizações em todo o mundo possam usá-los em sua tecnologia de criptografia.
Além disso, a computação quântica pode acelerar drasticamente a simulação quântica: a capacidade de prever o resultado de experimentos que operam no domínio quântico. O famoso físico Richard Feynman imaginou esta possibilidade há mais de 40 anos.
A simulação quântica oferece potencial para avanços consideráveis na química e na ciência dos materiais, auxiliando em áreas como a modelagem complexa de estruturas moleculares para descoberta de medicamentos e permitindo a descoberta ou criação de materiais com propriedades novas.
Outro uso da tecnologia de informação quântica é a detecção quântica: detecção e medição de propriedades físicas como energia eletromagnética, gravidade, pressão e temperatura com maior sensibilidade e precisão do que instrumentos não quânticos.
A detecção quântica tem inúmeras aplicações em áreas como monitoramento ambiental, exploração geológica, imagens médicas e vigilância.
Iniciativas como o desenvolvimento de uma Internet quântica que interconecte computadores quânticos são passos cruciais para unir os mundos da computação quântica e clássica.
Essa rede poderia ser protegida usando protocolos criptográficos quânticos, como a distribuição de chaves quânticas, que permite canais de comunicação ultrasseguros e protegidos contra ataques computacionais – incluindo aqueles que usam computadores quânticos.
Apesar de um crescente conjunto de aplicações para a computação quântica, o desenvolvimento de novos algoritmos que aproveitem plenamente a vantagem quântica – em particular na aprendizagem automática – continua a ser uma área crítica de investigação em curso.
Manter-se coerente e superar erros
O campo da computação quântica enfrenta obstáculos significativos no desenvolvimento de hardware e software. Os computadores quânticos são altamente sensíveis a quaisquer interações não intencionais com seus ambientes. Isso leva ao fenômeno da decoerência, onde os qubits degradam rapidamente para os estados 0 ou 1 dos bits clássicos.
A construção de sistemas de computação quântica em grande escala, capazes de cumprir a promessa de aceleração quântica, exige a superação da decoerência. A chave é desenvolver métodos eficazes para suprimir e corrigir erros quânticos, uma área na qual minha pesquisa está focada.
Ao enfrentar esses desafios, inúmeras startups de hardware e software quântico surgiram ao lado de players bem estabelecidos da indústria de tecnologia, como Google e IBM.
Este interesse da indústria, combinado com investimentos significativos de governos em todo o mundo, sublinha um reconhecimento coletivo do potencial transformador da tecnologia quântica. Estas iniciativas promovem um ecossistema rico onde a academia e a indústria colaboram, acelerando o progresso neste campo.
Vantagem quântica aparecendo
A computação quântica poderá um dia ser tão perturbadora quanto a chegada da IA generativa. Atualmente, o desenvolvimento da tecnologia de computação quântica encontra-se num momento crucial.
Por um lado, o campo já mostrou sinais precoces de ter alcançado uma vantagem quântica estreitamente especializada. Pesquisadores do Google e mais tarde uma equipe de pesquisadores na China demonstraram vantagem na geração de uma lista de números aleatórios com certas propriedades. Minha equipe de pesquisa demonstrou uma aceleração quântica para um jogo de adivinhação de números aleatórios.
Por outro lado, existe um risco tangível de entrar num “inverno quântico”, um período de investimento reduzido se os resultados práticos não se materializarem no curto prazo.
Embora a indústria tecnológica esteja trabalhando para proporcionar vantagens quânticas em produtos e serviços no curto prazo, a pesquisa acadêmica continua focada na investigação dos princípios fundamentais que sustentam esta nova ciência e tecnologia.
Esta pesquisa básica contínua, alimentada por quadros entusiasmados de estudantes novos e brilhantes do tipo que encontro quase todos os dias, garante que o campo continuará a progredir.
Por Daniel Lidar, Professor do departamento de Engenharia Elétrica, Química, Física e Astronomia na Universidade do Sul da Califórnia
Traduzido por Mateus Lynniker de ScienceAlert
