A supremacia quântica

Um experimento do Google inaugurou uma nova era na computação. Entenda o tamanho da façanha – e até onde os computadores quânticos podem chegar.

^{Texto: Guilherme Eler | Design: Carlos Eduardo Hara | Edição: Bruno Vaiano | Ilustrações: Otávio Silveira}

Em setembro de 2019, o Google alcançou a supremacia quântica. Você provavelmente ficou sabendo: o próprio Google dá uma lista de 15 mil jornais e sites que publicaram a notícia. O problema é que era segredo.

O anúncio aconteceu por acidente, sem a pompa que a gigante do Vale do Silício planejava. Um manuscrito preliminar descrevendo a façanha saiu sem querer no site da Nasa – provavelmente graças a algum funcionário desavisado da agência espacial americana.

Eles tiraram o documento do ar o mais rápido possível. Mas não rápido o suficiente para evitar a vigília do jornal britânico Financial Times, que monitorava em tempo real qualquer menção feita na web à expressão “supremacia quântica”.

Criada em 2011 pelo físico americano John Preskill, ela se refere ao momento em que um computador quântico executa uma tarefa que, de tão complexa, não poderia ser feita por uma máquina comum em tempo hábil. O computador quântico do Google se chama Sycamore.

Para testá-lo, a empresa bolou um exercício matemático que um supercomputador não quântico – como o Summit da IBM, o mais potente do planeta – demoraria 10 mil anos para cumprir. E aí foi ver quanto tempo o Sycamore leva para fazer a mesma coisa. Resultado? 3 minutos e 20 segundos.

Não pense que humilhar o Summit é pouca coisa. Inaugurado em 2018 no laboratório Nacional de Oak Ridge, ele tem o tamanho de duas quadras de basquete e 250 petabytes de HD. Essa engenhoca realiza até 200 trilhões de operações por segundo. Como é possível vencê-la?

O mundo quântico

A computação quântica é tão poderosa porque se aproveita da maneira estranha como a natureza opera na escala das menores coisas que existem: as partículas subatômicas – como os elétrons. Mas, antes de explicar o segredo por trás dessa nova tecnologia, é preciso entender como a computação clássica funciona.

Dá para pensar um computador tradicional como uma cidade cheia de ruas microscópicas, por onde circulam elétrons. Pela ação dos transistores, componentes eletrônicos que funcionam como guardas de trânsito, liberando e interrompendo a corrente elétrica, os elétrons vagam por esses microcircuitos.

Quando um usuário dá um comando qualquer ao computador, ele é interpretado pela máquina como uma sequência de zeros e uns – que correspondem a ligado ou desligado. Quando o comando recebido é um, é sinal de que deve haver fluxo de elétrons. Se é zero, nenhum elétron deve passar por ali. Essas unidades fundamentais de informação levam o nome de bits.

Pois bem. Enquanto a computação convencional obedece à lógica binária, a computação quântica funciona de outra forma. Bits quânticos, ou qubits,  podem ser tanto 0 zero quanto o um – e podem existir nos dois estados ao mesmo tempo. Essa propriedade é chamada de superposição – e é uma das coisas que tornam o mundo quântico tão estranho.

Para entender esse fenômeno, você pode imaginar um qubit como se fosse uma moeda. Se cara é um e coroa é zero, um estado entre esses dois seria como se a moeda estivesse girando de pé. Até que alguém encostasse nela, a tal moeda pode ser cara ou coroa ao mesmo tempo. Notou algo de familiar?

É a mesma história contada pelo gato de Schrödinger: até que alguém abra a caixa para observar o felino, ele pode estar vivo ou ter sido morto por um veneno. Tudo depende de um único átomo radioativo – que pode ou não ter decaído, abrindo um pote que libera a substância tóxica. Como, olhando de fora, não temos como saber o estado do átomo, em teoria o bichano se mantém vivo e morto ao mesmo tempo.

Hacker de Schrödinger

Entenda a mágica de um computador quântico com um exemplo banal: o que ele faz para descobrir a senha abaixo instantaneamente.

1. Como funciona o código binário
Cada letra, número e símbolo da senha é representado por uma sequência diferente de oito dígitos, que podem ser 0 ou 1. Ou seja: uma senha de seis caracteres tem 48 no código binário. Para descobri-la, o computador precisa testar todos os jeitos possíveis de combinar 48 zeros e uns.

2. O jeito clássico
Um computador tradicional testaria as possibilidades uma a uma, até chegar à correta – o que pode arrastar bastante o processo. São 1,06 trilhão de combinações possíveis.

3. O jeito quântico
Os computadores quânticos driblam a lógica. Como os qubits são 0 e 1 ao mesmo tempo, é possível testar todas as possibilidades de uma só vez. O problema é que é difícil construir uma máquina com muitos qubits.

O senhor dos anéis

Então beleza: um qubit é zero e um ao mesmo tempo. Assim, ele faz simultaneamente operações que os computadores comuns precisam fazer uma de cada vez [veja o gráfico abaixo]. Resta a questão: como isso é fisicamente possível? Como é o hardware que roda os qubits?

Ele é bem diferente de um amontoado de transistores colado em uma pastilha de silício – que é o que encontramos no recheio de uma máquina convencional. Para uma coisa assumir o papel de qubit, ela precisa ser capaz de se manter por algum tempo (mesmo que seja apenas uma fração de segundo) naquele estado de incerteza do gato de Schrödinger.

Os qubits do Google e da IBM (pois é, a IBM também investe pesado na tecnologia) são anéis microscópicos fabricados com materiais supercondutores. Os supercondutores são metais que, resfriados a uma temperatura baixíssima, conduzem corrente elétrica sem oferecer nenhuma resistência – daí o nome.

A corrente elétrica, por sua vez, é uma fila indiana de elétrons – que são partículas fundamentais minúsculas. A ideia, então, é que se você fizer um anel com um fio supercondutor e soltar elétrons para rodar nesse fio, eles vão rodar para sempre, sem parar. Lembre-se: resistência zero.

Os elétrons podem rodar tanto no sentido horário quanto no sentido anti-horário. Para onde eles vão? Você pode decidir. Basta atingi-los com um pulso de ondas eletromagnéticas. Se elas forem de uma certa frequência, os elétrons rodam no sentido horário. Se forem de outra frequência, no sentido anti-horário.

Aqui entra o pulo do gato (de Schrödinger): existem frequências intermediárias que deixam o anel confuso. Ele acaba entrando no tal estado de superposição quântica, em que os elétrons rodam nos dois sentidos ao mesmo tempo. Assim, o qubit pode ser lido como zero ou como um – o que for mais conveniente.

Os anéis não são a única solução. “Várias plataformas estão em desenvolvimento em empresas e universidades pelo mundo. Qual vai ganhar, ninguém sabe. Talvez o que seja equivalente aos nossos transistores atuais ainda esteja alguns anos à frente”, diz Udson Cabral Mendes, professor do Instituto de Física da UFG (Universidade Federal de Goiás). Certos computadores funcionam usando íons aprisionados, por exemplo. Mas a explicação desses métodos é ainda mais cabeluda que a dos anéis.

Um chip quântico com 53 qubits, como o do Google – eram 54 inicialmente, mas um dos anéis deu problema –tem capacidade de processar 2⁵³ (um número com 53 zeros) combinações ao mesmo tempo. Já é muito. Mas então, para ter computadores cada vez mais potentes, basta empilhar o maior número de qubits possível, certo?

Sim. Mas boa sorte fazendo isso. O fenômeno de superposição quântica é muito sensível. Dura apenas uma pequena fração de segundo. Depois disso, os qubits decidem para que lado vão rodar, e é preciso calibrar todo o sistema novamente.

Além disso, quanto mais perturbado pelo ambiente exterior uma máquina quântica é, mais suscetíveis a erros estão os resultados de um cálculo. Qualquer coisa que tente interagir com esse sistema – como luz, calor ou qualquer vibração – pode fazer com que qubits assumam uma das faces da moeda.

Para evitar interferências ao máximo, os computadores quânticos são mantidos em um ambiente extremamente controlado. A começar pela temperatura. Um chip quântico precisa operar próximo ao zero absoluto: -273 ºC. Só nessa friaca que os anéis se tornam supercondutores de elétrons. É preciso, também, que as partes mais sensíveis estejam isoladas em uma câmara selada, sem uma molécula de ar. Vácuo, mais vazio que o vácuo do espaço.

“O difícil não é fazer novos qubits em laboratório, mas sim controlá-los”, explica Francisco Rouxinol, coordenador do Laboratório de Física em Circuitos Supercondutores para Dispositivos Quânticos da Unicamp.

O pesquisador lidera o projeto que, até o início de 2021, pretende fazer funcionar o primeiro dispositivo com qubits supercondutores do país. No começo, o modelo vai operar com até 3 qubits. “Precisamos, primeiro, demonstrar que temos controle sobre essa tecnologia. Só depois começar a montar um número maior de qubits.”

Só o começo

Após o vazamento do Financial Times, o Google não se pronunciou sobre o caso por semanas. Foi só em outubro de 2019 que a empresa publicou um artigo no periódico Nature detalhando o feito.

Antes mesmo de ouvir a versão oficial, porém, a IBM se apressou em jogar areia na farofa quântica do concorrente. Eles afirmam que, com alguns ajustes, conseguiriam fazer o supercomputador convencional Summit dar conta do recado em não mais que dois dias e meio. Nada de 10 mil anos. A vantagem do computador quântico não seria tão grande.

Não é a primeira vez que a IBM coloca em xeque um anúncio sobre computação quântica do Google. Em 2017, cientistas da empresa anunciaram que um processador de 49 qubits poderia garantir a sonhada supremacia ao final daquele ano – a IBM questionou, publicando por conta própria novos resultados, que obrigaram os pesquisadores do Google a rever suas metas.

Esse debate, porém, não diminui o feito. Mesmo que o Summit da IBM realize a tal operação matemática em dois dias e meio, ainda estamos falando em 200 segundos da computação quântica contra 216 mil segundos da computação clássica.

Não à toa, o movimento pioneiro do Google foi comparado ao voo dos irmãos Wright em 1903. “O que esse evento representou, mais do que de fato executou na prática, foi primordial”, disse William Oliver, pesquisador do MIT, em um comentário que acompanha o estudo na Nature.

O importante é que agora sabemos ser possível tirar a supremacia quântica do campo da teoria. “Atualmente o debate se concentra em quando teremos um computador quântico e não mais em se teremos um”, diz Bruno G. Taketani, pesquisador da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Google e IBM não estão sozinhos nessa corrida. Outras empresas estão desenvolvendo seus próprios projetos. A Amazon, por exemplo, oferece um serviço chamado Bracket – no qual desenvolvedores que montam programas feitos para rodar em computadores quânticos têm a oportunidade de testá-los em máquinas de verdade. A Microsoft mantém algo parecido com o Azure Quantum. Na Ásia, Toshiba e Alibaba disputam espaço.

A computação quântica não vai substituir a convencional – você não vai jogar Fifa em seu computador quântico pessoal tão cedo. Mas ela pode se tornar vital em muitas áreas, como na indústria farmacêutica, no mercado financeiro e na inteligência artificial [veja o esquema abaixo]. Um artigo sobre computação quântica publicado pelo Boston Consulting Group, que entrevistou mais de 100 especialistas, afirma que as primeiras aplicações práticas devem surgir em no máximo dez anos.

Algumas aplicações

1. Criptografia
Um computador tão potente pode gerar sistemas de criptografia mais seguros – e, por outro lado, ameaçar protocolos de segurança aparentemente “invioláveis”. Segundo um estudo de 2018, o avanço na computação quântica pode quebrar o sistema de proteção do Bitcoin já na próxima década.

2. Inteligência artificial
A área de machine learning – em que um computador melhora em uma tarefa por tentativa e erro, conforme a realiza – pode se beneficiar dos computadores quânticos. Afinal, quanto mais feedback ele recebe, mais rápido ele aprende.

3. Remédios
Certos remédios têm como princípio ativo proteínas, que são moléculas complexas. O computador quântico será capaz de prever o que a proteína vai fazer só com base em sua fórmula, sem que seja preciso sintetizá-la no laboratório. Isso economiza tempo (que é dinheiro).

4. Mercado financeiro
É possível usar computação quântica para descobrir padrões de comportamento dos investidores na bolsa – e ganhar dinheiro prevendo momentos de alta e de baixa.

Em 1965, a infância dos computadores, um dos fundadores da Intel, Gordon Earl Moore, postulou a chamada Lei de Moore. Segundo ele, a indústria poderia dobrar o poder de processamento de seus chips a cada 18 meses – adicionando transistores conforme eles se tornassem cada vez mais baratos e acessíveis. Com a computação quântica embalando de vez, a previsão de Moore pode ser superada em uma escala inimaginável.

Adicionar com sucesso um único qubit já pode dobrar a capacidade de processamento. Resta saber como vamos domar milhares desses monstrinhos na prática, com todas as suas exigências exóticas: frio extremo, pouquíssima interferência externa etc. A recompensa é um mundo diferente. Um futuro com máquinas capazes de resolver problemas que nós não conseguimos sequer formular.

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