Uma Breve Introdução aos Computadores Quânticos

Uma das maiores motivações para se buscar um computador quântico completamente funcional é a possibilidade de simular sistemas físicos sem recorrer a meios digitais. Muito resumidamente, nesses computadores os cálculos e experimentos utilizariam características inerentes à própria matéria subatômica (interferência e superposição de ondas, emaranhamento quântico e supercondutividade são alguns dos exemplos) para alcançar os resultados, o que têm o potencial de ser extremamente eficiente (quantum speedup, ou "aceleração quântica, numa tradução livre") e confiável. Para isso, deve haver alguma forma de implementar algoritmos, instruções que coordenariam as operações computacionais.

Como há bons e acessíveis materiais de divulgação científica (indicados abaixo) sobre os qubits (as unidades básicas da computação quântica, análogas aos bits dos computadores digitais), sobre as portas lógicas quânticas e sobre os algoritmos, decidimos explorar outro lado deste tema: a estrutura física dos computadores quânticos. Existe o seguinte ditado no meio da tecnologia:

"A diferença entre *software* e *hardware* é que 
o *software* se xinga e o *hardware* se chuta!"  

Hoje chutaremos falaremos sobre o segundo item.

Inicialmente precisamos entender que para que um computador quântico seja estável e faça operações corretas, seus componentes podem interagir apenas quando requisitado pelo algoritmo. Outras interações, embora sejam negligenciáveis num computador clássico (não-quântico), podem alterar por completo os resultados dos processos quânticos. O próprio ambiente é um adversário, já que qualquer colisão entre moléculas, excesso de energia térmica ou contato inadequado com os próprios componentes da máquina são responsáveis por falhas sérias. Mas por quê esses computadores tendem a ser tão sensíveis?

Isso se deve a uma característica bastante conhecida dos sistemas quânticos, a decoerência. Esse inclusive é o motivo pelo qual não percebemos efeitos de interferência na matéria com a qual lidamos diariamente. Quando os sistemas se tornam muito energéticos, ou estão pouco isolados (não sujeitos a variações de pressão e temperatura, ou contato com raios cósmicos, por exemplo), ocorre o colapso da função de onda (considerando a interpretação de Copenhague usual). Dessa forma, param de exibir comportamentos típicos de ondas, como a sobreposição. Assim, como os objetos macroscópicos geralmente têm bastante massa, velocidade e temperatura, comportam-se simplesmente como matéria corpuscular.

Sendo assim, torna-se necessário um grande isolamento dos componentes de um computador quântico. Hoje conseguimos manter a coerência apenas em sistemas feitos de poucos *qubits*, cujo tamanho é de ordem atômica. Portanto, já que as transições entre estados eletrônicos em um átomo se dão de forma discreta, basta termos algum jeito de impedir o sistema de receber energia. Pelo menos o suficiente para que transições indesejadas não aconteçam.

 

Mas os resultados compensam essa dificuldade toda? Bom, temos certa sorte de que dependendo da configuração do sistema, é necessária uma quantidade bastante elevada de energia para tirar um átomo de seu estado fundamental (de mais baixa energia). Além disso, foram descobertas formas de corrigir erros, desde que eles não sejam muito graves ou frequentes. Outra conveniência é que as peculiaridades de sistemas microscópicos permitem que certos erros sejam conhecidos sem precisarmos ter conhecimento das causas, locais ou consequências deles. Sendo assim, as possibilidades de avanços criptográficos, simulacionais e em telecomunicações superam os desafios.

Para termos noção de algumas conquistas possíveis caso tenhamos sucesso na construção de simulações quânticas poderosas, seguem alguns exemplos:

• Fixação de Nitrogênio: Produção de um catalisador que converta nitrogênio em amônia a temperatura ambiente. Isso pode baratear significativamente os custos de fertilizantes, uma promessa para locais em que há dificuldade de produção ou distribuição de alimentos.

• Supercondutores a temperatura ambiente: Busca por materiais que superconduzam energia sem a necessidade de baixíssimas temperaturas. Isso permitiria a transmissão de eletricidade com perdas absurdamente baixas.

• Catalisador para sequestro de Carbono: A descoberta de um material com essa função poderia absorver grandes quantidades de Carbono atomosférico, diminuindo as taxas de CO₂ no ar, e, consequentemente, auxiliando na contenção das mudanças climáticas.

Pensemos quais as condições desejáveis para um computador estável e poderoso. Num computador clássico, logo nos vem à mente muitos núcleos de processamento. Num computador quântico, isso significa termos muitos qubits à disposição.

O segundo fator é a universalidade. Queremos que cada computador possa ser programável para executar diferentes tarefas, e não limitado a um único procedimento.

Como comentado anteriormente, é importante a eliminação de ruídos/erros ou, pelo menos, a correção de erros.

Por último, queremos que ele possa se utilizar de fenômenos quânticos para realizar suas tarefas. Então, buscamos a possibilidade de superposição, emaranhamento e interferência.

Ah, e, claro, precisamos de uma forma de acessar os resultados dos processos computacionais!

É relevante reconhecermos que ainda estamos na *era das válvulas*, ainda não se criou o equivalente quântico a um transistor. Então não temos disponíveis pequenos computadores quânticos pessoais (e esse nem é o maior propósito deles), mas laboratórios gigantescos que ofereçam as condições adequadas de funcionamento. É preciso muito conhecimento técnico e teórico para manipular de fato essas máquinas. Existem plataformas online (indicações abaixo) que nos permitem (sim, no próprio navegador de *internet*, gratuitamente) programar alguns circuitos. No entanto, toda a estrutura física para isso é muito bem guardada e operada por especialistas, que controlam precisamente a tensão, a temperatura (geralmente de pouquíssmos kelvin) e outros parâmetros relevantes em cada ponto do equipamento.

Computadores quânticos baseados em íons aprisionados requerem que possamos realizar arbitrariamente transformações nos estados internos dos átomos do sistema. Pode-se manipular spins e fônons (pseudopartículas, "buracos" presentes nas camadas eletrônicas de estruturas cristalinas) a trocarem informações entre si, uma forma aparentemente eficiente de se transmitir informação quântica. São uma forma bastante promissora de computação quântica, visto que permitem escalabilidade (aumentar o número de *qubits* por operação) e estabilidade.

Fótons são partículas sem carga, por isso não interagem muito fortemente com a matéria (nem com outros fótons). Utilizando fibras ópticas, podem ser transportados quase sem perdas por distâncias bastante longas, desviados por espelhos, combinados com divisores de feixe, desacelerados por dispositivos que provocam mudança de fase... Além disso, apresentam fenômenos tipicamente quânticos, como interferência através de fendas duplas e interferências (construtivas e destrutivas). Com as tecnologias atuais, pode-se utilizar materiais para controlar as interações. Esse modelo ainda apresenta dificuldades, mas são promissores para alguns tipos de tarefas.

As operações são feitas ao utilizar-se fótons individuais como um qubit. Ao passar por diferentes meios, pode-se alterar o comportamento desses fótons e associar os resultados aos efeitos das portas lógicas que provocam mudança de estado nos qubits (essas portas funcionam de maneira diferente das portas lógicas clássicas, mas os efeitos mais simples são praticamente equivalentes). Já foi provada a universalidade de portas lógicas quânticas de 1-bit e 2-bits, com aplicações interessantes para comunicação à distância.