A computação quântica é um tema complexo. Na prática a computação quântica é a aplicação das leis da física quântica ao domínio da ciência da computação. Neste mundo não existem bits, existem qubits.

Se os bits, a informação digital, são compostos por uns (1) ou zeros (0), os qubits podem na realidade ser uns (1) e zeros (0) em simultâneo. É este elemento que diferencia a realidade quântica da nossa realidade mais tradicional. Estamos habituados a percecionar que um determinado elemento não pode ser outro. Na área quântica existe uma sobreposição de realidades.




O facto de o qubit poder ser mais do que uns (1) e zeros (0) permite-lhe lidar com um maior espectro de informação. Isto significa maiores capacidades de processamento, sobretudo em tarefas complexas e que envolvam um grande volume de hipóteses.

Manter esta sobreposição de realidades é que é a parte mais complicada de todo o processo. Um qubit só está no seu estado quântico durante uma fração de segundo. Quando tentamos ‘olhar’ para ele, está novamente num dos dois estados que já conhecemos – um (1) ou zero (0). É como se a curiosidade humana matasse o lado quântico da computação.

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Mas pensar automaticamente num computador quântico como um supercomputador é uma ideia errada. Atualmente um computador quântico de 2 qubits tem o mesmo poder de processamento de um iPhone, palavras dos investigadores da IBM. O grande potencial será desbloqueado quando forem conseguidos sistemas com cem ou mil qubits.

Existem duas formas de perceber todo este emaranhamento de questões relacionadas com a computação quântica. A primeira é ver o vídeo abaixo, que tenta explicar no que consiste recorrendo a desenhos animados e a um gato.

A segunda é ler a nossa entrevista com Stefan Filipp, um dos membros do núcleo de tecnologia quântica dos laboratórios da IBM em Zurique, na Suíça.

Perguntámos a Stefan Filipp como é que surgiu o seu interesse pela computação quântica.

“Estava interessado em computação e em algum ponto… quando foi? Por acaso não sei quando foi. Sempre quis… Boa pergunta (risos). (Pausa longa) Penso que estava interessado na questão de como é constituída a Natureza, mais de um ponto de vista físico e filosófico. E em algum momento acabas por pensar em mecânicas quânticas, nos átomos e na estrutura da Natureza”, explicou em entrevista ao FUTURE BEHIND.

A explicação pode parecer vaga, mas os seus conhecimentos sobre computação quântica não são.

IBM Stefan Filipp computação quântica

Computação quântica. É um tema bastante complexo. Já li sobre o tema, mas continua a ser um pouco difícil de entender. Para aqueles que nada sabem sobre a computação quântica, pode explicar como funciona?

O objetivo é que em vez de teres bits normais, tens quantum bits – os qubits. E estes qubits têm um muito maior espaço, têm muitas mais oportunidades para armazenar informação. Um qubit pode ser uma maior variedade de estados, são uma sobreposição de estados, pelo que pode estar em dois estados ao mesmo tempo. Isto dá-te acesso a um muito espaço maior de informação.

Por exemplo, como é que chegam a esses qubits?

O importante é encontrares um sistema quântico que consegues operar e que consegues controlar muito bem. Isso é um ponto crucial e é por isso que a computação quântica é muito sensível a qualquer interferência, a qualquer radiação, a qualquer barulho. Tens de conseguir encontrar o sistema dos qubits, os sistemas quânticos, que consegues proteger bem o suficiente, mas no qual ainda tens um grande controlo sobre o sistema.

Significa que tens um átomo, mas depois têm-lo num espaço livre, sem interferências do ambiente e sem nada perto – isso seria o sistema perfeito. Porque aí não há qualquer hipótese de interação com o que quer que seja e se o preparasses num estado quântico ficaria nesse estado durante mais tempo.

Olhando para o computador que têm ali no laboratório, que materiais usam para os quantum bits?

Chegarei a essa parte. Se pegares neste sistema atómico e o meteres num sítio onde o controlas, ou se lhe apontares um laser, então existe alguma interação com a luz e isto vai provocar uma preparação de estado, mas também algum barulho. E isso vai ter uma influência.

Garantir corretamente este balanço, entre ter controlo e evitar qualquer fonte de barulho, esse é o desafio de construir computadores quânticos.

O que temos aqui são circuitos supercondutores. A forma mais simples de olhar para isto é como um eletrão que pode sentar-se ao lado de dois elétrodos. Pode sentar-se à esquerda ou à direta, mas também pode ter o seu estado em que não sabes se está à esquerda ou à direita ou algures no meio.

IBM Stefan Filipp computação quântica

Na imagem, Stefen Filipp calibra o interior do computador quântico que a IBM tem nos seus laboratórios em Zurique. Toda esta estrutura é depois tapada por um cilindro metálico à prova de interferências e cuja temperatura interior ronda os 273º negativos. #Crédito: IBM / Flickr

Essa é a parte curiosa da computação quântica. Parece ser um pouco imprevisível.

(Pausa longa) Isso é o elemento real da mecânica quântica. A descrição de como as coisas são é que tudo é previsível, independentemente de apontares um laser ao átomo ou uma micro-onda ao circuito supercondutor. Consegues calcular muito bem em que estado vai estar. Mas quando o medes, vais encontrá-lo num de dois estados aleatórios.

Basicamente é apenas uma a equação que governa o estado evolutivo, mas no último momento quando queres transformar a informação quântica na versão mais clássica da informação, há algo que acontece, algo a que chamamos de processo de medição. Neste ponto o sistema quântico perde a sua ‘quanticidade’ e torna-se clássico.

Haverá forma de ultrapassar esse problema?

Não diria que é um problema, é assim que a mecânica quântica funciona (risos).

Como conseguem extrair sentido de algo que só dura uma fração de segundos?

Isso não é um problema pois consegues extrair informação de forma rápida, não é muito mais rápido do que a velocidade de um computador clássico. Um computador que funciona nos 1GHz, isso significa uma velocidade de relógio de uma operação lógica a cada nanossegundo.

Os computadores de hoje em dia funcionam até 5GHz, ou seja, 200 picossegundos por cada operação.

Os computadores quânticos conseguem ser quase tão rápidos, mas depois a lógica é a mesma. Dentro destes nanosegundos consegues fazer algo com os qubits e consegues extrair informação deles.

Se lhe dermos uma pulsação de micro-ondas durante uns nanosegundos, aquilo que detetou desse pulso, como é que mudou a forma, como interagiu com o sistema quântico, é assim que consegues extrair o estado no qual está o sistema quântico.

Qual é a parte mais promissora do que vamos poder fazer com a computação quântica. E a mais aterradora?

Eu não ficaria com medo da computação quântica, acho que não há nada mau que consigamos extrair dela.

Se conseguirmos fazer tarefas importantes trabalhando com um computador quântico, também teremos o outro lado. Um computador quântico a quebrar cifras de segurança de forma rápida…

O típico medo é de que consegues quebrar a cifra AES, mas as pessoas já se apercebem que na altura em que um computador quântico conseguir fazer isto, também podes mudar o esquema de cifra. Existem formas de o evitar.

Por outro lado não representa uma ameaça para a encriptação, mas dá maior segurança. É a natureza de que se olhares para a informação, ela é destruída. Podes pensar em esquemas de encriptação que se baseiam nisto. Se vires que os dados foram de alguma forma corrompidos, sabes que alguém olhou para os dados e sabes que houve um intruso. Também te pode proteger. Existem formas de usar a computação quântica para proteção.

IBM computação quântica

Este é o aspeto de um processador de dois qubits desenvolvido pela IBM. Na parte de trás existem conectores metálicos através dos quais são enviados os impulsos que ajudam a controlar os qubits. #Crédito: Future Behind

Não penso que esta seja a primeira aplicação para um computador quântico. Penso que no momento a questão é se podemos usar o computador quântico que tem 50 ou 100 qubits. E simular as dinâmicas do sistema físico ou usar isto para otimização de problemas. Algo que possas fazer com poucas centenas e milhares de qubits. Este esquema da encriptação requer muitos mais qubits.

Podemos tentar descobrir qual a taxa das reações químicas, por exemplo, ou descobrir quais as propriedades que um material tem.

Também podes descrever os sistemas físicos, aí o poder da computação quântica já pode fazer a diferença com algumas centenas de quantum bits. Aí já supera os computadores clássicos. Porque a informação armazenada é muito maior do que aquela que existe num computador clássico. É aqui que vejo a principal aplicação dos computadores quânticos nos próximos anos.

Seríamos capazes de construir computadores quânticos com 100 qubits neste momento?

Atualmente não. Atualmente podemos construir computadores com 10 qubits.

O que nos separa dos computadores de 100 qubits?

Penso que é o tempo e o dinheiro.

Os grandes problemas do mundo…

Exatamente (risos). E engenharia. Talvez seja preciso haver algumas ideias inteligentes. Por exemplo, no nosso caso como fazer o tempo de coerência dos qubits um pouco mais longo ou como tratar os erros, mas penso que o esforço principal será mais com o sistema de engenharia.

Para que consigas colocar não apenas cinco, mas 15, 30, 40, 50 ou mais qubits em funcionamento. Não existe realmente um obstáculo para isto.

É apenas uma questão de evolução.

Neste momento não existem questões fundamentais que nos impeçam de chegar a isto.

A outra questão é quão útil isto será. A informação quântica é bastante frágil e isso significa que a informação quântica de 50 qubits possa ser mais frágil do que a de 10 qubits. Por isso alguém tem de descobrir quais as melhores aplicações para estes qubits adicionais.

Basicamente os próximos passos são difíceis de prever. Como podemos ir de algumas centenas, para os milhares, milhões e biliões de qubits, é difícil de dizer que há algo a caminho ou quais os obstáculos ao longo do caminho.

Algum dia teremos computadores e smartphones com chips quânticos? Ou isso não faz grande sentido?

(Pausa longa) Não sei se fará sentido ou se é difícil teres algo que esteja protegido o suficiente para gerar sobreposições quânticas no teu smartphone.

Uma das ideias originais sobre como usar a ‘quanticidade’ era ter dinheiro quântico, que teria uma partícula quântica. Isto evitaria que fosse copiado, porque esta é uma das características da mecânica quântica: não pode ser copiada. Podemos olhar para esta matéria quântica e essa era uma das ideias originais. Se isso faz sentido? Não tenho certeza.

Neste momento não parece… (pausa longa) …funcionar de forma a que consigas proteger os estados quânticos durante tempo suficiente para que o consigas ter no teu computador pessoal.

A questão é mesmo relativamente ao tipo de aplicações que tens em mente. Se pensares naquilo que as pessoas têm em mente, é mais dinâmica de moléculas, materiais científicos e otimização de problemas. E os problemas de otimização são bastante promissores.

Não sei se já ouviste falar no problema do vendedor que precisa de visitar várias cidades e precisa de encontrar a rota ideal. Existe um grande número de rotas que ele pode tomar se ele quiser visitar mais e mais cidades. E torna-se difícil para um computador clássico encontrar a solução ótima. Existe o potencial da computação quântica de poder fazer isto de forma mais rápida do que um computador clássico.

Este tipo de problemas pode ser mapeado para muitos problemas de otimização. Isto teria um grande impacto porque por vezes encontras muitas restrições. Por exemplo, tens um calendário apertado onde tens de conseguir entrevistas com diferentes pessoas, com diferentes restrições. Se o número de pessoas aumentar torna-se um problema ainda mais complexo.

IBM Stefan Filipp computação quântica

Stefan Filipp, à direita, explica os princípios da computação quântica. À direita vemos Andreas Fuhrer, também da equipa de computação quântica da IBM. #Crédito: Future Behind

Parece que a computação quântica está mais direcionada para problemas e necessidades de larga escala.

Neste momento diria que sim. Mas… (pausa longa) …se pensares no Google Maps ou assim, é exatamente o tipo de problema que leva um grande tempo a ser resolvido. Encontrar a rota ótima entre pontos diferentes e ter diferentes restrições. Podes imaginar ter isto diretamente num computador quântico, mas neste momento existe uma rota mais fácil pois podes usar sistemas de cloud computing de forma massiva e isso não está no teu dispositivo.

É curioso. À vezes olha para longe e fica a pensar. Até vocês que estão a trabalhar nesta área todos os dias, tudo isto também parece novo para vocês.

(Pausa longa) O ponto é que conseguir uma aplicação que tenhamos daqui a cinco ou dez anos, com 100 qubits que não temos no momento, é um problema difícil de resolver. Como é que hei de dizer? Posso dar muitos tipos de aplicações, é que é apenas uma questão daquilo que pode ser interessante.

Para um físico seria mais interessante saber mais sobre as moléculas, isso é algo que definitivamente poderias fazer. Mas descobrir quem está interessado e que tipo de problema pode ser resolvido fazendo computadores quânticos mais rápidos é um problema aberto e no qual as pessoas ainda estão a trabalhar. Nesse sentido estás certo.

Precisamos de saber qual o tipo de problema no qual um computador quântico será mais rápido e pode criar valor. Essa é a grande questão.

Do ponto de vista de uma universidade ou ambiente académico, penso que é bem claro o seu potencial. Mas agora é preciso dar os passos para que passe de um ambiente universitário para um ambiente corporativo. É aí que precisamos de perceber o valor deste contexto.

Como é que se constrói um chip quântico?

Tentas ser modular. Isso significa encontrar o sistema quântico que vais usar como qubit – existem alguns sistemas que são bons para fazer isto. O próximo passo é tentar encontrar como fazer estes quantum bits interagirem. Isto num nível mais geral.

Assim que descobrires como interagem, então sabes se são usáveis num computador quântico de arquitetura escalável. Podes encontrar um que seja bom para dois ou três sistemas, mas depois é difícil criar um quarto.

Existem restrições de espaço ou simplesmente porque a tua fabricação não é boa o suficiente. Quando juntares tudo isto tens um sistema quântico.

Agora construir um processador quântico significa que tens um chip de silício, tens metal, depositas metal no chip de silício e depois tens um destes quantum bits. Quando aprenderes a operar um, metes um segundo, um terceiro…

Esta é a parte boa. Se tiveres uma abordagem modular podes escalar. É por isso que não vejo grandes problemas fundamentais em ter 50 qubits num chip.

É apenas uma questão de ir tentando e ver os resultados?

Sim. Tens de registar e ver o que está a acontecer. Ver as conversas cruzadas entre os qubits. É um desafio, mas é fazível.

Em algum ponto tens demasiados qubits e eles já não cabem num chip. Depois tens de pensar como vais além destes 100 qubits.

N.R.: O FUTURE BEHIND viajou para Zurique a convite da IBM