Computação Quântica Explicada: Como Funciona e Por Que Importa

Gigantes da tecnologia como Google, IBM, Amazon e Microsoft estão investindo pesado em computação quântica. O objetivo é criar a próxima geração de computadores e superar os limites da computação clássica.

Apesar do progresso, ainda existem áreas desconhecidas neste campo emergente.

Este artigo é uma introdução aos conceitos básicos de computação quântica. Você aprenderá o que é computação quântica e como ela funciona, bem como o que diferencia um dispositivo quântico de uma máquina padrão.

O que é Computação Quântica? Definição

Computação quântica é uma nova geração de computadores baseada na mecânica quântica, ramo da física que estuda partículas atômicas e subatômicas. Esses supercomputadores realizam computações em velocidades e níveis que um computador comum não consegue lidar.

Estas são as principais diferenças entre um dispositivo quântico e um desktop comum:

• Arquitetura diferente: Computadores quânticos têm arquitetura diferente de dispositivos convencionais. Por exemplo, em vez de memórias ou processadores baseados em silício tradicionais, utilizam diferentes plataformas tecnológicas, como circuitos supercondutores e íons atômicos aprisionados.
• Casos de uso computacionalmente intensivos: Um usuário casual pode não ter muita utilidade para um computador quântico. O foco computacional pesado e a complexidade dessas máquinas os tornam adequados para ambientes corporativos e científicos no futuro previsível.

Ao contrário de um computador padrão, seu equivalente quântico pode realizar múltiplas operações simultaneamente. Essas máquinas também armazenam mais estados por unidade de dados e operam em algoritmos mais eficientes.

O incrível poder de processamento torna computadores quânticos capazes de resolver tarefas complexas e buscar em dados não ordenados.

Para que a Computação Quântica é Usada? Casos de Uso na Indústria

A adoção de computadores mais poderosos beneficia todas as indústrias. No entanto, algumas áreas já se destacam como excelentes oportunidades para computadores quânticos fazerem a diferença:

• Saúde: Computadores quânticos ajudam a desenvolver novos medicamentos em ritmo mais rápido. A pesquisa de DNA também se beneficia muito do uso de computação quântica.
• Cibersegurança: A programação quântica pode avançar a criptografia de dados. O novo sistema de Distribuição Quântica de Chaves (QKD), por exemplo, usa sinais de luz para detectar ataques cibernéticos ou invasores de rede.
• Finanças: Empresas podem otimizar seus portfólios de investimento com computadores quânticos. Melhorias em detecção de fraude e sistemas de simulação também são prováveis.
• Transporte: Computadores quânticos podem levar a progressos em sistemas de planejamento de tráfego e otimização de rotas.

O que são Qubits?

A chave por trás do poder de um computador quântico é sua capacidade de criar e manipular bits quânticos, ou qubits.

Aqui está o estado de um qubit q₀:

q0 = a|0> + b|1>, onde a2 + b2 = 1

A probabilidade de q₀ ser 0 quando medido é a². A probabilidade de ser 1 quando medido é b². Devido à natureza probabilística, um qubit pode ser tanto 0 quanto 1 ao mesmo tempo.

Para um qubit q₀ onde a = 1 e b = 0, q₀ é equivalente a um bit clássico de 0. Há 100% de chance de obter valor 0 quando medido. Se a = 0 e b = 1, então q₀ é equivalente a um bit clássico de 1. Assim, os bits binários clássicos 0 e 1 são um subconjunto de qubits.

Agora, vejamos um circuito vazio no IBM Circuit Composer com um único qubit q₀ (Figura 1). O gráfico "Probabilidades de Medição" mostra que q₀ tem 100% de chance de ser medido como 0. O gráfico "Statevector" mostra os valores de a e b, que correspondem à coluna "computational basis states" 0 e 1, respectivamente.

No caso da Figura 1, a é igual a 1 e b a 0. Então, q₀ tem probabilidade de 1² = 1 de ser medido como 0.

Um grupo conectado de qubits fornece mais poder de processamento que o mesmo número de bits binários. A diferença no processamento deve-se a duas propriedades quânticas: superposição e entrelaçamento.

Superposição na Computação Quântica

Quando 0 < a e b < 1, o qubit está em um estado de superposição. Nesse estado, é possível pular para 0 ou 1 quando medido. A probabilidade de obter 0 ou 1 é definida por a² e b².

A Porta Hadamard é a porta básica na computação quântica. A Porta Hadamard move o qubit de um estado não-superposição de 0 ou 1 para um estado de superposição. Enquanto em superposição, há probabilidade 0.5 de ser medido como 0. Também há 0.5 de chance do qubit terminar como 1.

Vejamos o efeito de adicionar a Porta Hadamard (mostrada como um H vermelho) em q₀ onde q₀ está atualmente em estado não-superposição de 0 (Figura 2). Após passar pela porta Hadamard, o gráfico "Probabilidades de Medição" mostra que há 50% de chance de obter 0 ou 1 quando q₀ é medido.

O gráfico "Statevector" mostra o valor de a e b, que são ambas raízes quadradas de 0.5 = 0.707. A probabilidade do qubit ser medido como 0 e 1 é 0.707² = 0.5, então q₀ está agora em estado de superposição.

O que são Medições?

Quando medimos um qubit em estado de superposição, o qubit salta para um estado não-superposição. Uma medição muda o qubit e o força a sair da superposição para o estado de 0 ou 1.

Se um qubit está em estado não-superposição de 0 ou 1, medi-lo não muda nada. Nesse caso, o qubit já está em estado de 100% sendo 0 ou 1 quando medido.

Vamos adicionar uma operação de medição no circuito (Figura 3). Medimos q₀ após a porta Hadamard e exibimos o valor da medição no bit 0 (um bit clássico) em c1:

Para ver os resultados da medição de q₀ após a Porta Hadamard, enviamos o circuito para rodar em um computador quântico real chamado "ibmq_armonk". Por padrão, há 1024 execuções do circuito quântico. O resultado (Figura 4) mostra que cerca de 47.4% das vezes, a medição de q₀ é 0. Nos outros 52.6%, é medido como 1:

A segunda execução (Figura 5) resulta em uma distribuição diferente de 0 e 1, mas ainda próxima à divisão esperada de 50/50:

Entrelaçamento na Computação Quântica

Se dois qubits estão em estado de entrelaçamento, a medição de um qubit instantaneamente "colapsa" o valor do outro. O mesmo efeito ocorre mesmo se os dois qubits entrelaçados estiverem distantes.

Vejamos um exemplo. Uma operação quântica que coloca dois qubits não entrelaçados em estado entrelaçado é a porta CNOT. Para demonstrar, primeiro adicionamos outro qubit q₁, inicializado como 0 por padrão. Antes da porta CNOT, os dois qubits não estão entrelaçados, então q₀ tem 0.5 de chance de ser 0 ou 1 devido à porta Hadamard, enquanto q₁ será 0. O gráfico "Probabilidades de Medição" (Figura 6) mostra que a probabilidade de (q₁, q₀) ser (0, 0) ou (0, 1) é 50%:

Então adicionamos a porta CNOT (mostrada como ponto azul e sinal de mais) que pega a saída de q₀ da porta Hadamard e q₁ como entradas. O gráfico "Probabilidades de Medição" agora mostra que há 50% de chance de (q₁, q₀) ser (0, 0) e 50% de ser (1, 1) quando medido (Figura 7):

Há chance zero de obter (0, 1) ou (1, 0). Uma vez que determinamos o valor de um qubit, sabemos o valor do outro porque os dois devem ser iguais. Nesse estado, q₀ e q₁ estão entrelaçados.

Vamos rodar isso em um computador quântico real e ver o que acontece (Figura 8):

Estamos próximos de uma distribuição 50/50 entre os estados '00' e '11'. Também vemos ocorrências inesperadas de '01' e '10' devido às altas taxas de erro do computador quântico. Enquanto taxas de erro para computadores clássicos são quase inexistentes, altas taxas de erro são o principal desafio da computação quântica.

O Circuito de Bell é Apenas um Ponto de Partida

O circuito mostrado na seção "Entrelaçamento" é chamado de Circuito de Bell. Embora seja básico, esse circuito mostra alguns conceitos e propriedades fundamentais da computação quântica, nomeadamente qubits, superposição, entrelaçamento e medições. O Circuito de Bell é frequentemente citado como o programa "Hello World" para computação quântica.

Neste ponto, você provavelmente tem muitas perguntas, como:

• Como representamos fisicamente o estado de superposição de um qubit?
• Como medimos fisicamente um qubit, e por que isso forçaria o qubit a 0 ou 1?
• O que exatamente é |0> e |1> na formulação do qubit?
• Por que a² e b² correspondem à chance de um qubit ser medido como 0 e 1?
• Quais são as representações matemáticas das portas Hadamard e CNOT? Por que portas colocam qubits em estados de superposição e entrelaçamento?
• Podemos explicar o fenômeno do entrelaçamento?

Não há atalhos para aprender computação quântica. O campo abrange tópicos complexos abrangendo física, matemática e ciência da computação.

Existe abundância de bons livros e tutoriais em vídeo que introduzem a tecnologia. Esses recursos geralmente cobrem conceitos pré-requisitos como álgebra linear, mecânica quântica e computação binária.

Além de livros e tutoriais, você também pode aprender muito com exemplos de código. Soluções para otimização de portfólio financeiro e roteamento de veículos, por exemplo, são ótimos pontos de partida para aprender sobre computação quântica.

O Próximo Passo na Evolução dos Computadores

Computadores quânticos têm potencial para exceder até os supercomputadores mais avançados. A computação quântica pode levar a avanços na ciência, medicina, aprendizado de máquina, construção, transporte, finanças e serviços de emergência.

A promessa é aparente, mas a tecnologia ainda está longe de ser aplicável a cenários reais. Novos avanços surgem todos os dias, porém, então espere que a computação quântica cause disrupções significativas nos próximos anos.