O Guia para Quantum Computing

Tudo o que você sempre quis saber sobre qubits, superposição e ação assustadora à distância.



A estrutura de resfriamento e suporte para um dos chips de computação quântica da IBM (o pequeno quadrado preto na parte inferior da imagem). AMY LOMBARD


GRANDES COISAS ACONTECEM quando os computadores ficam menores. Ou mais rápido. E a computação quântica trata de perseguir, talvez, o maior aumento de desempenho na história da tecnologia. A ideia básica é quebrar algumas barreiras que limitam a velocidade dos computadores existentes, aproveitando a física contra-intuitiva das escalas subatômicas.

Se a indústria de tecnologia der esse salto quântico , você não terá um computador quântico no bolso. Não comece a economizar para um iPhone Q. Podemos, no entanto, ver melhorias significativas em muitas áreas da ciência e tecnologia, como baterias mais duradouras para carros elétricos ou avanços na química que remodelam as indústrias ou possibilitam novos tratamentos médicos. Os computadores quânticos não serão capazes de fazer tudo mais rápido do que os computadores convencionais, mas em alguns problemas complicados eles têm vantagens que permitiriam um progresso surpreendente.


Não é produtivo (ou educado) perguntar às pessoas que trabalham com computação quântica quando exatamente esses aplicativos oníricos se tornarão reais. A única coisa certa é que ainda estão muitos anos longe. O protótipo de hardware de computação quântica ainda é embrionário. Mas computadores poderosos - e, para as empresas de tecnologia, que aumentam os lucros - com base na física quântica começaram recentemente a parecer menos hipotéticos.


Isso porque Google, IBM e outros decidiram que é hora de investir pesadamente em tecnologia, o que, por sua vez, ajudou a computação quântica a ganhar destaque nos slides do PowerPoint de estratégia corporativa de grandes empresas em áreas como finanças, como JPMorgan , e aeroespacial, como o Airbus.

Em 2017, os investidores de risco investiram US $ 241 milhões em startups trabalhando em hardware ou software de computação quântica em todo o mundo, de acordo com CB Insights. Isso é o triplo do valor do ano anterior.


Como a matemática confusa que sustenta a computação quântica, algumas das expectativas criadas em torno dessa tecnologia ainda impraticável podem deixá-lo tonto. Se você olhar pela janela de um vôo para o SFO agora mesmo, poderá ver uma névoa de exagero quântico pairando sobre o Vale do Silício. Mas o enorme potencial da computação quântica é inegável, e o hardware necessário para controlá-la está avançando rapidamente. Se já houve um momento perfeito para dedicar seu cérebro à computação quântica, é agora. Diga "superposição de Schrõdinger" três vezes rápido e podemos mergulhar de cabeça.


A história da computação quântica explicada


A pré-história da computação quântica começa no início do século 20, quando os físicos começaram a sentir que haviam perdido o controle da realidade.

Primeiro, as explicações aceitas do mundo subatômico revelaram-se incompletas. Elétrons e outras partículas não se moviam ordenadamente como bolas de bilhar newtonianas, por exemplo. Às vezes, eles agiam como ondas. A mecânica quântica surgiu para explicar essas peculiaridades, mas introduziu suas próprias questões preocupantes. Para dar apenas um exemplo que enruga a testa, essa nova matemática implicava que as propriedades físicas do mundo subatômico, como a posição de um elétron, não existiam realmente até serem observadas.


Se achar isso desconcertante, você está em boa companhia. Um ano antes de ganhar um Nobel por suas contribuições à teoria quântica, Richard Feynman do Caltech observou que "ninguém entende a mecânica quântica". A maneira como vivenciamos o mundo simplesmente não é compatível. Mas algumas pessoas entenderam bem o suficiente para redefinir nossa compreensão do universo. E na década de 1980 alguns deles - incluindo Feynman - começaram a se perguntar se fenômenos quânticos como o truque do "não olhe e eu não existo" das partículas subatômicas poderiam ser usados ​​para processar informações. A teoria básica ou projeto para computadores quânticos que tomou forma nos anos 80 e 90 ainda orienta o Google e outros que trabalham com a tecnologia.


Antes de cairmos de barriga nas profundezas obscuras da computação quântica 0,101, devemos atualizar nossa compreensão dos computadores antigos comuns. Como você sabe, smartwatches, iPhones e o supercomputador mais rápido do mundo fazem basicamente a mesma coisa: realizam cálculos codificando informações como bits digitais, também conhecidos como 0s e 1s. Um computador pode ligar e desligar a tensão em um circuito para representar 1s e 0s, por exemplo.

Os computadores quânticos também fazem cálculos usando bits. Afinal, queremos que eles se conectem aos nossos dados e computadores existentes. Mas os bits quânticos, ou qubits, têm propriedades únicas e poderosas que permitem a um grupo deles fazer muito mais do que um número equivalente de bits convencionais.


Qubits podem ser construídos de várias maneiras, mas todos eles representam 0s e 1s digitais usando as propriedades quânticas de algo que pode ser controlado eletronicamente. Exemplos populares - pelo menos entre uma fatia muito selecionada da humanidade - incluem circuitos supercondutores ou átomos individuais levitados dentro de campos eletromagnéticos. A Magia O poder da computação quântica é que esse arranjo permite que os qubits façam mais do que apenas girar entre 0 e 1. Trate-os da maneira certa e eles podem entrar em um misterioso modo extra chamado superposição.


Você pode ter ouvido que um qubit em superposição é tanto 0 e 1 ao mesmo tempo. Isso não é totalmente verdade e também não é totalmente falso - simplesmente não há equivalente no Homo sapiens' na realidade clássica monótona. Se você deseja realmente entende-lo, deve fazer uma odisséia matemática para a qual não podemos equipá-lo. Mas no mundo simplificado e ousamos dizer perfeito deste explicador, o importante a saber é que a matemática de uma superposição descreve a probabilidade de descobrir um 0 ou 1 quando um qubit é lido - uma operação que o interrompe uma superposição quântica na realidade clássica. Um computador quântico pode usar uma coleção de qubits em superposições para brincar com diferentes caminhos possíveis por meio de um cálculo. Se feito corretamente, os ponteiros para caminhos incorretos se cancelam, deixando a resposta correta quando os qubits são lidos como 0s e 1s.


Para alguns problemas que consomem muito tempo para computadores convencionais, isso permite que um computador quântico encontre uma solução em muito menos etapas do que um computador convencional precisaria. O algoritmo de Grover, um famoso algoritmo de busca quântica, pode encontrar você em uma lista telefônica com 100 milhões de nomes com apenas 10.000 operações. Se um algoritmo de pesquisa clássico simplesmente percorresse todas as listagens para encontrar você, seriam necessárias 50 milhões de operações, em média. Para Grover e alguns outros algoritmos quânticos, quanto maior o problema inicial - ou lista telefônica - mais para trás um computador convencional é deixado na poeira digital.


O motivo pelo qual não temos computadores quânticos úteis hoje é que os qubits são extremamente exigentes. Os efeitos quânticos que eles devem controlar são muito delicados, e o calor ou ruído disperso pode virar 0s e 1s, ou eliminar uma superposição crucial. Os Qubits devem ser cuidadosamente protegidos e operados em temperaturas muito baixas, às vezes apenas frações de grau acima do zero absoluto. A maioria dos planos para a computação quântica depende do uso de uma parte considerável da potência de um processador quântico para corrigir seus próprios erros, causados ​​por qubits errados.


A empolgação recente com a computação quântica decorre do progresso em tornar os qubits menos escamosos. Isso dá aos pesquisadores a confiança necessária para começar a agrupar os dispositivos em grupos maiores. A startup Rigetti Computing anunciou recentemente que construiu um processador com 128 qubits feito com circuitos de alumínio super-resfriados para torná-los supercondutores. Google e IBM anunciaram seus próprios chips com 72 e 50 qubits, respectivamente. Isso ainda é muito menos do que seria necessário para fazer um trabalho útil com um computador quântico - provavelmente exigiria pelo menos milhares - mas, até 2016, os melhores chips dessas empresas tinham qubits apenas em um dígito. Depois de atormentar os cientistas da computação por 30 anos, a computação quântica prática pode não estar exatamente perto, mas começou a parecer muito mais próxima.


Jargão para o Quantum Qurioso


O que é um qubit?

Um dispositivo que usa efeitos de mecânica quântica para representar 0s e 1s de dados digitais, semelhantes aos bits em um computador convencional.


O que é uma superposição?

É o truque que faz funcionar os computadores quânticos e torna os qubits mais poderosos do que os bits comuns. Uma superposição é uma combinação matemática que desafia a intuição de 0 e 1. Algoritmos quânticos podem usar um grupo de qubits em uma superposição para atuar nos cálculos.


O que é emaranhamento quântico?

Um efeito quântico tão pouco intuitivo que Einstein o apelidou de "ação fantasmagórica à distância". Quando dois qubits em uma superposição estão emaranhados, certas operações em um têm efeitos instantâneos no outro, um processo que ajuda os algoritmos quânticos a serem mais poderosos do que os convencionais.


O que é aceleração quântica?

O Santo Graal da computação quântica - uma medida de quão mais rápido um computador quântico pode solucionar um problema do que um computador convencional. Os computadores quânticos não são adequados para todos os tipos de problemas, mas para alguns eles oferecem uma aceleração exponencial , o que significa que sua vantagem sobre um computador convencional cresce explosivamente com o tamanho do problema de entrada.


O que o futuro reserva para a computação quântica


Algumas grandes empresas e governos começaram a tratar a pesquisa de computação quântica como uma corrida - talvez apropriadamente onde a distância até a linha de chegada e o prêmio por chegar lá sejam desconhecidos.


Google, IBM, Intel e Microsoft expandiram suas equipes de trabalho na tecnologia, com um enxame crescente de startups como a Rigetti em perseguição. A China e a União Europeia lançaram, cada uma, novos programas avaliados em bilhões de dólares para estimular a P&D quântica. E, nos EUA, a Casa Branca do ex presidente Trump criaram um novo comitê para coordenar o trabalho do governo na ciência da informação quântica. Vários projetos de lei foram apresentados ao Congresso em 2018 propondo novos fundos para a pesquisa quântica, totalizando mais de US $ 1,3 bilhão. Não está muito claro quais serão os primeiros aplicativos matadores da computação quântica, ou quando eles aparecerão. Mas há uma sensação de que quem primeiro fizer essas máquinas úteis obterá grandes vantagens econômicas e de segurança nacional.



As estruturas de cobre conduzem bem o calor e conectam o aparelho ao seu sistema de resfriamento. AMY LOMBARD


No mundo atual, porém, os processadores quânticos são muito simples para fazer um trabalho prático. O Google está trabalhando para preparar uma demonstração conhecida como supremacia quântica , na qual um processador quântico resolveria um problema matemático cuidadosamente projetado para além dos supercomputadores existentes. Mas isso seria um marco científico histórico, não a prova de que a computação quântica está pronta para fazer um trabalho real.


À medida que os protótipos de computador quântico ficam maiores, o primeiro uso prático para eles provavelmente será para simulações de química. Modelos de computador de moléculas e átomos são vitais para a busca por novos medicamentos ou materiais. No entanto, os computadores convencionais não conseguem simular com precisão o comportamento dos átomos e elétrons durante as reações químicas. Porque? Porque esse comportamento é impulsionado pela mecânica quântica, cuja complexidade total é grande demais para as máquinas convencionais. A Daimler e a Volkswagen começaram a investigar a computação quântica como uma forma de melhorar a química da bateria para veículos elétricos. A Microsoft afirma que outros usos podem incluir o projeto de novos catalisadores para tornar os processos industriais menos intensivos em energia, ou até mesmo para retirar o dióxido de carbono da atmosfera para mitigar as mudanças climáticas.


Os computadores quânticos também seriam um ajuste natural para a quebra de códigos. Sabemos desde os anos 90 que eles poderiam passar rapidamente pela matemática que sustenta a criptografia que protege o banco online, o flerte e as compras. Os processadores quânticos precisariam ser muito mais avançados para fazer isso, mas governos e empresas estão levando a ameaça a sério. O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia está em processo de avaliação de novos sistemas de criptografia que poderiam ser implementados para tornar a Internet à prova quântica.



Quando resfriado à temperatura operacional, todo o conjunto é escondido dentro desta caixa isolada branca. AMY LOMBARD


Empresas de tecnologia como o Google também estão apostando que os computadores quânticos podem tornar a inteligência artificial mais poderosa . Isso está mais longe no futuro e menos bem mapeado do que a química ou os aplicativos de quebra de código, mas os pesquisadores argumentam que podem descobrir os detalhes no futuro enquanto brincam com processadores quânticos cada vez maiores. Uma esperança é que os computadores quânticos possam ajudar os algoritmos de aprendizado de máquina a realizar tarefas complexas usando muito menos do que os milhões de exemplos normalmente usados ​​para treinar sistemas de IA hoje.


Apesar de toda a incerteza semelhante a uma superposição sobre quando a era da computação quântica realmente começará, as grandes empresas de tecnologia argumentam que os programadores precisam se preparar agora. Google, IBM e Microsoft lançaram ferramentas de código aberto para ajudar os programadores a se familiarizarem com a escrita de programas para hardware quântico. A IBM até começou a oferecer acesso online a alguns de seus processadores quânticos, para que qualquer pessoa possa fazer experiências com eles. A longo prazo, as grandes empresas de computação se vêem ganhando dinheiro cobrando das corporações o acesso a data centers repletos de processadores quânticos super-resfriados.


O que está para o resto de nós? Apesar de algumas desvantagens definitivas, a era dos computadores convencionais ajudou a tornar a vida mais segura, rica e conveniente - muitos de nós nunca estamos a mais de cinco segundos de um vídeo de gatinho. A era dos computadores quânticos deve ter consequências de alcance igualmente amplo, benéfico e impossível de prever. Traga os qubits.






Saltos quânticos

1980
O físico Paul Benioff sugere que a mecânica quântica pode ser usada para computação.
1981
O físico ganhador do Nobel Richard Feynman , do Caltech, cunhou o termo computador quântico .
1985
O físico David Deutsch , em Oxford, mapeia como um computador quântico funcionaria, um projeto que sustenta a indústria nascente de hoje.
1994
O matemático Peter Shor, da Bell Labs, escreve um algoritmo que pode explorar o poder de um computador quântico para quebrar formas amplamente utilizadas de criptografia .
2007
A D-Wave, uma startup canadense, anuncia um chip de computação quântica que diz poder resolver quebra-cabeças de Sudoku, desencadeando anos de debate sobre se a tecnologia da empresa realmente funciona.
2013
O Google se une à NASA para financiar um laboratório para testar o hardware do D-Wave .
2014
O Google contrata o professor responsável por alguns dos melhores hardwares quânticos de computador para liderar seu novo laboratório de hardware quântico .
2016
A IBM coloca alguns de seus protótipos de processadores quânticos na Internet para qualquer um experimentá-los, dizendo que os programadores precisam se preparar para escrever código quântico.
2017
A startup Rigetti abre sua própria fábrica de computadores quânticos para construir protótipos de hardware e competir com o Google e a IBM.



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