A computação quântica tem sido uma palavra da moda na indústria de tecnologia há algum tempo. Quatro anos atrás, os físicos do Google fizeram uma afirmação inovadora de que seu computador quântico poderia superar as máquinas clássicas, embora em um cálculo de nicho sem aplicações práticas. Essa afirmação, por mais audaciosa que fosse, marcou o início de um novo capítulo no reino da computação. Avançando para hoje, estamos testemunhando o surgimento de uma nova era em que os computadores quânticos não são apenas um conceito teórico, mas uma realidade que promete revolucionar vários setores.
O Salto Adiante
Recentemente, pesquisadores da IBM deram um salto monumental no campo da computação quântica. Em um experimento de prova de princípio descrito na Nature em 14 de junho, os pesquisadores simularam o comportamento de um material magnético no processador quântico Eagle da IBM. Esta experiência é significativa por várias razões.
Lidando com o Ruído Quântico
Um dos maiores desafios da computação quântica é o ruído quântico. O ruído quântico introduz erros nos cálculos e tem sido o principal obstáculo para a aplicação prática dessa tecnologia. No entanto, os pesquisadores da IBM conseguiram contornar esse ruído quântico para obter resultados confiáveis. Eles empregaram técnicas de mitigação de erros que lhes permitiram realizar cálculos quânticos “em uma escala em que os computadores clássicos terão dificuldades”, diz Katie Pizzolato, que chefia o grupo de teoria quântica da IBM em Yorktown Heights, Nova York.
Modelos Simplificados e Potencial Futuro
Embora o experimento tenha usado um modelo simplificado e um tanto irreal de um material, ele deixou os especialistas otimistas sobre o potencial da computação quântica em sistemas mais complexos. John Martinis, físico da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, que liderou a equipe do Google em seu marco de 2019, diz: “isso deixa você otimista de que isso funcionará em outros sistemas e algoritmos mais complicados”.
Uma referência em computação quântica
Sabrina Maniscalco, executiva-chefe da Algorithmiq, startup de computação quântica em Helsinque, diz que o experimento fornece uma referência para o estado da arte em computadores quânticos. “Essas máquinas estão chegando”, diz ela. Sua empresa, Algorithmiq, está desenvolvendo algoritmos para cálculos de química quântica que usam mitigação de erros.
Os fenômenos quânticos
Os computadores quânticos empregam fenômenos quânticos peculiares, como a capacidade de um objeto existir em uma “superposição” simultânea de dois estados e de vários objetos compartilharem um estado quântico comum, no que os físicos chamam de emaranhamento. Qubits, o equivalente quântico dos bits de computadores comuns, podem estar em uma superposição dos estados ‘0’ e ‘1’ e estar emaranhados um com o outro.
O desafio do hardware
Os físicos têm experimentado uma variedade de hardware para construir computadores quânticos, incluindo armadilhas para íons individuais ou átomos neutros. A abordagem da IBM, que também é usada pelo Google e outras empresas, codifica cada qubit em um minúsculo circuito supercondutor. Para que os computadores quânticos sejam eficazes, os qubits precisam manter seu estado quântico por tempo suficiente para que um cálculo seja realizado. Isso levou a um esforço crucial de engenharia para aumentar a vida útil dos qubits, como aponta a equipe da IBM.
Medição e Mitigação de Ruído
No último artigo, o físico da IBM Abhinav Kandala e seus colaboradores realizaram medições precisas do ruído em cada um de seus qubits. O ruído em qubits pode seguir padrões relativamente previsíveis determinados por sua posição dentro do dispositivo, imperfeições microscópicas em sua fabricação e outros fatores. Usando esse conhecimento, os pesquisadores extrapolaram de volta para como seriam suas medições na ausência de ruído. Eles foram então capazes de executar cálculos envolvendo todos os 127 qubits do Eagle e até 60 etapas de processamento, o que é mais do que qualquer outro experimento de computação quântica relatado.
Estratégias de curto e longo prazo
A abordagem da IBM para a computação quântica envolve uma estratégia em duas frentes. No curto prazo, eles visam fornecer computação útil mitigando erros, em vez de corrigi-los. Essa abordagem foi validada pelos resultados do experimento recente, que demonstrou a viabilidade da mitigação de erros.
No entanto, a longo prazo, a IBM, juntamente com a maioria das outras empresas do setor, espera mudar para a correção quântica de erros. Essa técnica é mais robusta, mas requer um grande número de qubits adicionais para cada qubit de dados. Curiosamente, a estratégia do Google se concentrou principalmente em refinar as técnicas quânticas de correção de erros.
Alguns pesquisadores estão menos otimistas sobre o potencial de mitigação de ruído e esperam que apenas a correção quântica de erros permita cálculos que seriam impossíveis até mesmo nos maiores supercomputadores clássicos.
O futuro da computação quântica
O processador Eagle da IBM, que foi usado no experimento, tem 127 qubits. No entanto, a IBM não para por aí. Eles esperam revelar seu processador mais poderoso até o momento, o chip Condor de 1.121 qubits, ainda este ano. Este é um desenvolvimento significativo, pois o número de qubits é um fator chave no poder de processamento dos computadores quânticos.
Mas isso não é tudo. A IBM também está desenvolvendo processadores em escala de utilidade com até 4.158 qubits como parte de seu pipeline de desenvolvimento. Jay Gambetta, chefe dos esforços de tecnologia quântica da IBM, menciona que, para atingir a meta de longo prazo de construir máquinas de 100.000 qubits que possam executar algoritmos totalmente corrigidos de erros até 2033, os pesquisadores precisarão resolver problemas substanciais de engenharia.
Aplicações Práticas e Indústrias
Os avanços na computação quântica são promissores para aplicações práticas, como cálculos de propriedades de materiais e interações de partículas. Essas aplicações são incrivelmente importantes para indústrias como farmacêutica, ciência de materiais e física.
Por exemplo, na indústria farmacêutica, os computadores quânticos poderiam ser usados para simular as interações moleculares de drogas, levando ao desenvolvimento de medicamentos mais eficazes. Na ciência dos materiais, eles podem ser usados para descobrir novos materiais com as propriedades desejadas. Na física, eles poderiam ajudar na compreensão das partículas fundamentais da natureza.
Conclusão
A computação quântica é, sem dúvida, um dos avanços tecnológicos mais emocionantes do nosso tempo. A recente experiência da IBM é uma prova do rápido progresso que está sendo feito neste campo. Com técnicas de mitigação de erros, um aumento no número de qubits e esforços contínuos para correção de erros, estamos prestes a ver os computadores quânticos superarem os clássicos em aplicações práticas do mundo real.
Como disse Sabrina Maniscalco: “Essas máquinas estão chegando”. A questão não é se, mas quando. E quando o fizerem, anunciarão uma era de poder e capacidades computacionais sem precedentes que transformarão as indústrias e nos impulsionarão para o futuro.
A jornada da computação quântica está apenas começando e deve ser emocionante. Vamos apertar o cinto e ver como essa maravilha tecnológica se desenrola diante de nossos olhos.
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