A vantagem quântica é o marco para o qual o campo da computação quântica está trabalhando fervorosamente, em que um computador quântico pode resolver problemas que estão além do alcance dos computadores não quânticos ou clássicos mais poderosos.

O quantum refere-se à escala de átomos e moléculas em que as leis da física, tal como as conhecemos, se rompem e um conjunto diferente e contraintuitivo de leis se aplica. Os computadores quânticos tiram proveito desses comportamentos estranhos para resolver problemas.

Existem alguns tipos de problemas que são impraticáveis para os computadores clássicos resolverem, como decifrar algoritmos de criptografia de última geração. Pesquisas realizadas nas últimas décadas mostraram que os computadores quânticos têm o potencial de resolver alguns desses problemas. Se for possível construir um computador quântico que de fato resolva um desses problemas, ele terá demonstrado vantagem quântica.

Sou um físico que estuda o processamento de informações quânticas e o controle de sistemas quânticos. Acredito que essa fronteira da inovação científica e tecnológica não só promete avanços revolucionários na computação, mas também representa um aumento mais amplo na tecnologia quântica, incluindo avanços significativos na criptografia quântica e no sensoriamento quântico.

A fonte do poder da computação quântica

O bit quântico, ou qubit, é fundamental para a computação quântica. Ao contrário dos bits clássicos, que só podem estar em estados de 0 ou 1, um qubit pode estar em qualquer estado que seja uma combinação de 0 e 1. Esse estado de não apenas 1 ou apenas 0 é conhecido como uma superposição quântica. Com cada qubit adicional, o número de estados que podem ser representados pelos qubits dobra.

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Essa propriedade é frequentemente confundida com a fonte do poder da computação quântica. Em vez disso, ela se resume a uma intrincada interação de superposição, interferência e emaranhamento.

A interferência envolve a manipulação de qubits para que seus estados se combinem de forma construtiva durante os cálculos para ampliar as soluções corretas e de forma destrutiva para suprimir as respostas erradas. Interferência construtiva é o que acontece quando os picos de duas ondas – como ondas sonoras ou ondas do oceano – se combinam para criar um pico mais alto.

Interferência destrutiva é o que acontece quando o pico e o vale de uma onda se combinam e se cancelam mutuamente. Os algoritmos quânticos, que são poucos e difíceis de elaborar, estabelecem uma sequência de padrões de interferência que produzem a resposta correta para um problema.

O entrelaçamento estabelece uma correlação exclusivamente quântica entre os qubits: O estado de um deles não pode ser descrito independentemente dos outros, independentemente da distância entre os qubits. Isso é o que Albert Einstein chamou de “ação assustadora à distância”. O comportamento coletivo do entrelaçamento, 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 série de usos potenciais em que pode superar os computadores clássicos. Na criptografia, os computadores quânticos representam uma oportunidade e um desafio. O mais famoso é que eles têm o potencial de decifrar os 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. Esse reconhecimento levou ao crescente campo da criptografia pós-quântica.

Após um longo processo, o National Institute of Standards and Technology selecionou recentemente quatro algoritmos resistentes ao quantum e iniciou o processo de prepará-los para que as organizações de 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 reino quântico. O famoso físico Richard Feynman previu essa possibilidade há mais de 40 anos.

A simulação quântica oferece o potencial para avanços consideráveis na química e na ciência dos materiais, auxiliando em áreas como a modelagem complexa de estruturas moleculares para a descoberta de medicamentos e possibilitando a descoberta ou a criação de materiais com propriedades novas.

Outro uso da tecnologia da informação quântica é o sensoriamento quântico: detectar e medir propriedades físicas como energia eletromagnética, gravidade, pressão e temperatura com maior sensibilidade e precisão do que os instrumentos não quânticos. O sensoriamento quântico tem inúmeras aplicações em campos como monitoramento ambiental, exploração geológica, imagens médicas e vigilância.

Iniciativas como o desenvolvimento de uma Internet quântica que interconecte computadores quânticos são etapas cruciais para unir os mundos da computação quântica e clássica. Essa rede poderia ser protegida com o uso de protocolos criptográficos quânticos, como a distribuição de chaves quânticas, que permite canais de comunicação ultrasseguros protegidos contra ataques computacionais, inclusive os que usam computadores quânticos.

Apesar do crescente conjunto de aplicativos para a computação quântica, o desenvolvimento de novos algoritmos que façam uso total da vantagem quântica – em especial no aprendizado de máquina – continua sendo uma área crítica de pesquisa em andamento.

Mantendo a coerência e superando os erros

O campo da computação quântica enfrenta obstáculos significativos no desenvolvimento de hardware e software. Os computadores quânticos são altamente sensíveis a qualquer interação não intencional com seus ambientes. Isso leva ao fenômeno da decoerência, em que os qubits se degradam rapidamente para os estados 0 ou 1 dos bits clássicos.

A criação de sistemas de computação quântica em larga escala capazes de cumprir a promessa de aumento da velocidade quântica exige a superação da decoerência. O segredo é desenvolver métodos eficazes de supressão e correção de erros quânticos, uma área em que minha própria pesquisa está concentrada.

Ao enfrentar esses desafios, surgiram várias startups de hardware e software quânticos ao lado de participantes bem estabelecidos do setor de tecnologia, como Google e IBM. Esse interesse do setor, combinado com investimentos significativos de governos de todo o mundo, ressalta um reconhecimento coletivo do potencial transformador da tecnologia quântica. Essas iniciativas promovem um ecossistema rico em que a academia e o setor colaboram, acelerando o progresso no campo.

Vantagem quântica que está se tornando visível

A computação quântica pode um dia ser tão revolucionária quanto a chegada da IA generativa. Atualmente, o desenvolvimento da tecnologia de computação quântica está em um momento crucial. Por um lado, o campo já mostrou os primeiros sinais de ter alcançado uma vantagem quântica estritamente especializada.

Pesquisadores do Google e, posteriormente, uma equipe de pesquisadores da China demonstraram vantagem quântica para gerar uma lista de números aleatórios com determinadas propriedades. Minha equipe de pesquisa demonstrou uma aceleração quântica para um jogo de adivinhação de números aleatórios.

Por outro lado, há um risco tangível de entrar em um “inverno quântico”, um período de redução de investimentos se os resultados práticos não se concretizarem no curto prazo.

Enquanto o setor de tecnologia está trabalhando para oferecer vantagens quânticas em produtos e serviços no curto prazo, a pesquisa acadêmica continua focada na investigação dos princípios fundamentais que sustentam essa nova ciência e tecnologia.

Essa pesquisa básica contínua, alimentada por quadros entusiasmados de alunos novos e brilhantes, como os que encontro quase todos os dias, garante que o campo continue a progredir.

Daniel Lidar, Professor de Engenharia Elétrica, Química e Física e Astronomia, University of Southern California.

Este artigo foi republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.