O que preciso saber sobre Mecânica Quântica para entender a supremacia quântica do Google?

Imagem destacada: Machine design

Tudo começou em 1981, no MIT, quando Richard Faynman apresentou o seguinte problema: “Computadores clássicos não são eficientes para simular a evolução de sistemas quânticos”. Para tentar resolver esse problema, Faynman, então propôs um modelo de computador quântico que seria capaz de realizar essas simulações. A partir dessa ideia, a possibilidade de criar computadores que pudessem superar os nossos computadores, surgiu.

Richard Feynman

Em torno de 1991, o chamado “Algoritmo Shor” foi criado por Peter Shor, que permitiu fatorar exponencialmente mais rápido que o melhor algoritmo conhecido rodando em um computador clássico. Esse algoritmo fez com que o interesse na área de computação quântica e suas aplicações aumentasse.

Peter Shor

Em 1996, tivemos mais um avanço na área. Lov Grover inventou um algoritmo de busca quântica de base que apresentou uma aceleração no problema de busca. Qualquer problema que tivesse que ser resolvido por busca aleatória ou por força bruta poderia ser feito 4 vezes mais rápido. Essa é a forma mais rápida de busca que pode ser executado em um computador quântico.

Em 1998 as coisas começaram a esquentar. O primeiro computar quântico de 2 qubits foi construído (já já vamos ver o que é isso) e com ele conseguimos resolver os primeiros algoritmos quânticos. Isso eu início a corrida para a nova era da computação e mais aplicações foram desenvolvidas.

Em 2017, o IBM apresentou o primeiro computador quântico comercializável, o que levou a corrida para outro nível. Agora, em 2019, o Google afirmou ter atingido a “supremacia quântica”, mas o que isso significa? Antes de entrarmos direto nesse assunto, vamos entender como um computador quântico funciona.

Você já parou pra pensar em como o seu computador, o computador clássico, funciona? Bom, o seu computador codifica a informação através de uma de sequência de bits que assumem valores 0 ou 1. Diversas realizações físicas podem ser associadas ao bit clássico, como por exemplo a posição de uma bola. Neste exemplo, estamos apenas interessados em qual estante a bola se encontra (como mostra a figura abaixo), então as características da bola, como cor e massa, não nos interessam.

Apenas a posição da bolinha importa, assim como no bit.
Fonte: researchgate.net

Esses dois dígitos formam a base binária que permite que qualquer número inteiro seja escrito. Os bits são processados por dispositivos eletrônicos que fazem operações básicas que permitem que qualquer computação possa ser realizada.

Okay… Agora que já entendemos a ideia por trás dos computadores clássicos, podemos partir para os computadores quânticos. Diferentemente dos nossos computadores, os computadores quânticos codificam a informação através dos qubits (quantum bits), que apresentam propriedades do mundo quântico. Uma dessas propriedades é chamada de de superposição de estados, mas o que é isso? Essa superposição, se estivermos olhando para o nosso mundo macroscópico e clássico, seria como se o bit pudesse representar, ao mesmo tempo, os valores 0 e 1. Mais ou menos como se o bit tivesse uma porcentagem do estado 0 mais uma porcentagem do estado 1, ou seja, é uma combinação dos estados que normalmente descreveríamos de forma independente.

Todas as combinações dos estados formam a chamada Esfera de Bloch. Fonte: sciencenews.org

Um conjunto de N qubits tem 2^N estados possíveis, e esses estados codificam todos os números que podem ser representados por N bits. Com isso podemos realizar operações física simultaneamente a todas as entradas possíveis, realizando a chamada computação em paralelo, em vez de calcularmos sequencialmente o resultado para cada uma das entradas.

Então, agora que sabemos a diferença entre computadores clássicos e quânticos, fica a pergunta: “Qual a razão de querermos usar algo que parece ser tão complicado?” O principal motivo é que um computador quântico poderia levar segundos para resolver um problema que um computador clássico levaria milhares de anos. O desenvolvimento dessa área pode beneficiar a física, a química, a engenharia e até mesmo ajudar a desenvolver medicamentos.

E o que o Google tem a ver com tudo isso? Em outubro de 2019, o Google anunciou ter atingido a “Supremacia quântica”, isso significa que eles conseguiram fazer com que um computador quântico conseguisse realizar uma tarefa de forma mais eficiente que um computador clássico conseguiria. O que os pesquisadores do Google fizeram foi gerar números aleatórios. Enquanto o computador clássico mais potente levaria milhares de anos para isso, o computador quântico do Google levou apenas 3 minutos e 20 segundos. Apesar de parecer inútil, a resolução desse problema inicia a caminhada em direção aos computadores quânticos universais, que simulam qualquer tipo de cálculo que pode ser feito.

Caso você queira saber mais sobre o desenvolvimento dos computadores quânticos e as áreas em que eles podem ser usados, você pode ler esse artigo do Medium sobre uma breve história da computação quântica e se quiser saber mais sobre física quântica e sua aplicação para o qubit você pode ler esse artigo super legal “What can we learn about quantum physics from a single bit“.

Apesar de toda essa evolução ser super importante pra ciência, parece que nem todo fundo ficou muito feliz com o anuncio do Google. A IBM diz que o Google não realizou o experimento de forma correta e por isso não teria atingido a tal “supremacia”. Para saber mais sobre essa discussão entre o Google e o IBM assista esse vídeo do canal física e afins: “Supremacia Quântica – foi tudo uma mentira da Google“.


Referências:
1. What can we learn about quantum physics from a single bit.
2. A brief history of quantum computing – Medim
3. What is quantum computing – IBM
4. Informação quântica – do teletransporte ao computador – Ciência Hoje
5. Supremacia Quântica. Foi tudo uma mentira da google ? – Física e Afins

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