O que precisa de saber
- A computação quântica utiliza qubits que podem representar vários estados ao mesmo tempo, permitindo que estas máquinas resolvam problemas de forma muito mais eficiente do que os computadores clássicos.
- Baseia-se em princípios da física quântica, como superposição, entrelaçamento e interferência, que permitem um processamento paralelo massivo.
- Os computadores quânticos destacam-se em tarefas complexas, como simular moléculas, otimizar logística e desenvolver novos materiais – áreas em que os computadores tradicionais enfrentam dificuldades.
- Empresas líderes como Google, IBM, Microsoft e Amazon a competir para construir sistemas quânticos práticos, com hardware real já acessível através da nuvem.
- Embora ainda esteja em fase experimental, a tecnologia quântica está a progredir rapidamente, com avanços potenciais esperados nos próximos 5 a 10 anos.
A computação quântica pode remodelar indústrias, desde a saúde até a cibersegurança – mesmo que você nunca use uma diretamente, o impacto chegará até você. Então entre em contacto com o departamento de fraudes do seu banco.
O que é computação quântica?
A computação quântica é uma forma avançada de computação baseada nos princípios da física quântica (a ciência que estuda o comportamento de partículas minúsculas, como os átomos). Enquanto os bits comuns podem ser 0 ou 1, os computadores quânticos utilizam bits quânticos (qubits), que podem ser 0 e 1 ao mesmo tempo.
Isso permite que os computadores quânticos processem enormes quantidades de informação e explorem inúmeras soluções possíveis ao mesmo tempo. Eles podem resolver problemas em áreas como química e logística que levariam milhões de anos para serem resolvidos por computadores clássicos.
O que é computação quântica explicada em termos simples?
Pode ser difícil de entender. Tente pensar na computação quântica como tentar todas as respostas possíveis para uma pergunta difícil ao mesmo tempo, em vez de uma por uma. Isso é feito usando partículas que podem manter vários estados ao mesmo tempo. Isso acontece devido a uma propriedade estranha da física quântica chamada superposição, que explicaremos com mais detalhes abaixo.
Não é magia. É física muito inteligente. Ao aproveitar fenómenos complexos como o entrelaçamento, os computadores quânticos podem processar dados complexos em paralelo. Isso oferece novas possibilidades para resolver alguns dos problemas mais difíceis do mundo.
Como funciona a computação quântica?
A computação quântica é alimentada pelo comportamento estranho e surpreendentemente poderoso de partículas tão pequenas que não podem ser vistas. Para realmente compreender o que está a acontecer, é necessário mergulhar em algumas ideias-chave da física quântica. Essas regras incomuns são o que dá aos computadores quânticos a sua vantagem, permitindo-lhes lidar com problemas complexos muito mais rapidamente do que as máquinas que usamos hoje.
Superposição
Como mencionado anteriormente, a sobreposição é uma das principais razões pelas quais os computadores quânticos podem fazer o que fazem. Ela permite que um qubit esteja num estado de 0, 1 ou — e aqui está a reviravolta — 0 e 1 ao mesmo tempo. Um bit tradicional só pode escolher um, mas um qubit não precisa escolher.
Com essa capacidade, um computador quântico pode verificar inúmeras possibilidades ao mesmo tempo. Imagine trabalhar num quebra-cabeças enorme: um computador clássico testa uma peça de cada vez. Um computador quântico age como se estivesse a experimentar todas as peças em todos os lugares ao mesmo tempo, transformando desafios enormes e demorados em algo muito mais fácil de lidar.
Comportamento de um computador quântico
Emaranhamento
O entrelaçamento é um efeito quântico estranho em que dois ou mais qubits ficam ligados de tal forma que agem como um único sistema. Uma vez ligados, eles permanecem ligados, não importa a distância que os separe — seja num laboratório ou em todo o planeta. Altere o estado de um e o outro reage instantaneamente.
Essa conexão permite que os qubits partilhem informações e trabalhem juntos de maneiras que os bits clássicos simplesmente não conseguem. O resultado? Eles podem resolver problemas com muito mais rapidez e eficiência, agindo menos como peças individuais e mais como partes de uma máquina coordenada e poderosa.
Interferência
Os computadores quânticos dependem da natureza ondulatória das partículas. Assim como as ondas podem amplificar-se ou cancelar-se mutuamente, os estados quânticos podem fazer o mesmo por meio da interferência.
A interferência permite que os algoritmos quânticos (proverbialmente) empurrem o computador em direção às respostas certas e longe das erradas. Essa interferência pode ser controlada para que os computadores quânticos aumentem as hipóteses de surgir a solução correta quando a medição final for feita.
Decoerência
Uma das maiores dores de cabeça na computação quântica é algo chamado decoerência. Pense num estado quântico como uma bolha de sabão – bonita, delicada e que desaparece num instante se a você a tocar. Mesmo o mais leve ruído ou a menor interferência do mundo exterior podem estourá-la.
Quando essa bolha rebenta, a informação dentro dos qubits colapsa e todo o cálculo desmorona-se. Para impedir que isso aconteça, os cientistas estão a trabalhar em formas de isolar os qubits do seu ambiente e a criar truques inteligentes de correção de erros para mantê-los estáveis apenas o tempo suficiente para obter uma resposta útil.
Computação quântica vs. computação clássica
Os computadores clássicos são ótimos para tarefas diárias, como abrir aplicações, transmitir vídeos e navegar na Internet. Eles são construídos para esse tipo de trabalho de uso geral e lidam com isso com facilidade.
Os computadores quânticos, por outro lado, ganham vida quando os problemas se tornam extremamente complicados. Quando há montanhas de variáveis e possibilidades infinitas para analisar, eles conseguem encontrar respostas numa fração do tempo. O tipo de problema que poderia manter um computador clássico ocupado por séculos.
Computação clássica
Os computadores clássicos utilizam bits da forma tradicional. Estes são os blocos de construção familiares da computação moderna. Conforme mencionado anteriormente, cada bit pode estar num estado de cada vez, 0 ou 1. Este sistema simples alimenta tudo, desde o seu telefone até aos supercomputadores mais avançados.
Os computadores clássicos funcionam realizando cálculos passo a passo, seguindo instruções lógicas para chegar a uma resposta. Eles processam dados de forma linear e são incrivelmente confiáveis para tarefas como planilhas e até mesmo jogos, devido a esse sistema de processamento.
Mas, à medida que os problemas se tornam mais complexos, especialmente aqueles com muitas soluções possíveis, os computadores clássicos enfrentam dificuldades, pois precisam verificar cada opção, uma após a outra.
Computação quântica
Explicámos que os bits dos computadores quânticos podem ser simultaneamente 0 e 1, devido à superposição. Isto permite que os computadores quânticos testem muitas soluções possíveis ao mesmo tempo, tornando-os ideais para certos tipos de problemas complexos.
Esses computadores aproveitam a natureza paralela da mecânica quântica. É como levantar 10 pedras ao mesmo tempo para ver o que há por baixo, enquanto um computador tradicional precisa fazer isso uma de cada vez.
Os computadores quânticos não são mais rápidos em tudo. Eles foram concebidos para complementar as máquinas clássicas.
Onde os computadores quânticos têm uma vantagem
Os computadores quânticos já ultrapassaram a fase teórica e estão a ser testados em cenários reais. Em determinadas situações, estão a revelar-se muito mais adequados do que as máquinas tradicionais.
Uma área empolgante é a simulação. Os computadores quânticos podem imitar o comportamento de átomos e materiais quânticos de maneiras que os computadores clássicos simplesmente não conseguem. Isso abre as portas para avanços em áreas como química e física, desde o design de novas formas de matéria até a criação de maneiras melhores de armazenar energia.
A otimização é uma área em que a computação quântica pode ser uma verdadeira revolução. Muitos desafios do dia a dia — desde traçar a rota de entrega mais rápida até equilibrar uma carteira de investimentos — resumem-se a filtrar infinitas possibilidades para encontrar a melhor. Os algoritmos quânticos podem lidar com todas essas variáveis ao mesmo tempo, apresentando uma solução ideal em poucos instantes.
A cibersegurança é outra questão importante. Um computador quântico suficientemente potente poderia quebrar a encriptação tradicional em pouco tempo. Mas nem tudo é desgraça e tristeza – a mesma tecnologia pode ajudar a criar criptografia quântica segura. É por isso que as empresas de tecnologia já estão a competir para lançar novos padrões de segurança criados para a era quântica.
Depois, há a medicina. As simulações quânticas podem modelar a forma como as moléculas interagem a um nível incrivelmente detalhado, ajudando os cientistas a descobrir novos medicamentos ou materiais mais rapidamente. Os benefícios podem ser enormes: tratamentos inovadores que chegam aos pacientes anos mais cedo do que com os métodos atuais.
Como é um computador quântico?
Os computadores quânticos não se parecem em nada com os computadores portáteis ou servidores que usamos hoje. Normalmente são máquinas grandes e complexas, alojadas em ambientes com temperatura controlada, concebidos para mantê-las o mais estáveis possível.
No centro de muitos sistemas quânticos está um dispositivo cilíndrico alto chamado criostato. Essa câmara resfria oprocessadorquântico a temperaturas próximas do zero absoluto (mais frias do que o espaço sideral), pois os qubits devem operar em estados de energia ultrabaixa para manter o comportamento quântico.
Ao redor do chip quântico, há camadas de fiação, eletrónica de controlo e computadores clássicos. Os sistemas clássicos ajudam a preparar e medir os estados quânticos.
Como essas máquinas são grandes e delicadas, a maioria dos utilizadores acede-as através da [nuvem](malwarebytes), e não por possuí-las ou operá-las diretamente. Por enquanto, a computação quântica permanece firmemente no mundo dos laboratórios especializados e serviços em nuvem, e não nos computadores pessoais dos consumidores.
Em que ponto se encontra a tecnologia da computação quântica?
A computação quântica não é apenas um conceito teórico. Hoje em dia, existem computadores quânticos reais. É importante notar que a tecnologia ainda está em fase inicial e que provavelmente ainda levará vários anos até que os computadores quânticos sejam amplamente úteis para aplicações cotidianas. Um estudo da McKinsey previu que 5.000 computadores quânticos estarão em operação até 2030.
A maioria dos computadores quânticos atuais são experimentais e operam em laboratórios de pesquisa especializados. Esses sistemas iniciais normalmente têm apenas algumas centenas de qubits. Eles requerem ambientes extremos para funcionar e devem ser mantidos em temperaturas superfrias próximas ao zero absoluto. Não espere que eles estejam disponíveis nas lojas tão cedo.
Um dos maiores desafios é a correção de erros. Conforme explicado anteriormente, os qubits são extremamente sensíveis ao ruído e à interferência, por isso os computadores quânticos atuais ainda enfrentam dificuldades em termos de confiabilidade e escala.
Em 2019, a Google anunciou que tinha alcançado a supremacia quântica, o que significa que o seu computador quântico resolveu um problema mais rapidamente do que qualquer computador clássico conhecido. Embora esse problema específico não fosse prático, mostrou o que é possível fazer.
No curto prazo, espera-se que a computação quântica agregue valor por meio de abordagens híbridas. Isso significa que os computadores quânticos poderiam auxiliar os computadores clássicos em problemas específicos, como otimizar reações químicas ou simular sistemas quânticos.
O progresso é constante e os computadores quânticos provavelmente se tornarão mais comuns na próxima década. Poderemos ver novos avanços em termos de confiabilidade, o que aceleraria drasticamente a computação quântica.
Empresas líderes em computação quântica
A computação quântica é uma das fronteiras mais empolgantes da tecnologia. Isso levou algumas das maiores empresas do mundo a entrarem numa corrida para liderar esse campo. Muitas organizações estão a investir milhares de milhões na construção dos primeiros computadores quânticos práticos e em grande escala.
Cada empresa tem a sua própria abordagem para resolver os desafios quânticos, utilizando diferentes estratégias de hardware e software. Algumas empresas estão a construir os seus próprios processadores quânticos, mas outras concentram-se em serviços na nuvem que dão aos investigadores e programadores acesso remoto a máquinas quânticas. É provável que todo esse investimento acelere o desenvolvimento.
O Google e o chip Willow
Já explicámos como o Google afirmou ter alcançado a supremacia quântica usando o seu chip Sycamore, resolvendo em 200 segundos um problema que levaria milhares de anos para um supercomputador resolver. Desde então, o Google tem trabalhado no desenvolvimento de um computador quântico tolerante a falhas, capaz de lidar com problemas do mundo real. O seu objetivo atual é criar um computador quântico útil e com correção de erros até 2029.
O mais recente chip quântico do Google chama-se Willow. O Willow melhora os designs anteriores com melhor desempenho de qubits e correção de erros mais forte. Faz parte do ambicioso plano do Google de ampliar o hardware quântico para os milhares ou milhões de qubits necessários para obter vantagem quântica prática, o que significa o ponto em que um computador quântico é capaz de resolver um problema mais rapidamente ou com mais eficiência do que um computador clássico.
O Google também colabora ativamente com parceiros académicos e disponibiliza algumas das suas ferramentas quânticas em código aberto. Isso tem o potencial de expandir o ecossistema quântico de forma mais ampla.
IBM e qubits supercondutores
A IBM é uma das empresas mais consolidadas na área da computação quântica. Trabalha com tecnologia quântica há décadas e foi uma das primeiras a oferecer acesso baseado na nuvem a computadores quânticos através da sua plataforma IBM Quantum.
A abordagem da IBM baseia-se em qubits supercondutores, que são circuitos arrefecidos até quase o zero absoluto para exibir comportamento quântico. O roteiro quântico da empresa inclui um plano para expandir os dispositivos atuais para sistemas de 2.000 qubits, com o próximo grande chip chamado Blue Jay. Espera-se que esteja operacional até 2029.
Já é possível para parceiros corporativos realizarem experiências e aplicações quânticas em hardware IBM real através da nuvem. A IBM também está fortemente envolvida no desenvolvimento de software quântico, ajudando a desenvolver um conjunto de ferramentas e plataformas de código aberto, como o Qiskit.
Microsoft e Azure Quantum
A Microsoft está adotando uma abordagem única para a computação quântica. A empresa está focando tanto na inovação de hardware quanto na construção de uma pilha de software quântico abrangente. O Azure Quantum é a sua plataforma em nuvem. Ele permite que os utilizadores executem algoritmos quânticos em vários tipos de hardware por meio de parcerias com várias empresas quânticas.
Em vez de construir apenas um tipo de computador quântico, a Microsoft dá aos programadores acesso a máquinas de empresas como IonQ, Quantinuum e Rigetti. Isso é feito através da interface na nuvem do Azure.
A Microsoft também está a investir fortemente em qubits topológicos. Esta é uma abordagem inovadora que poderá um dia levar a computadores quânticos mais estáveis e resistentes a erros. Esta tecnologia ainda está em desenvolvimento, mas a forte estratégia da Microsoft de priorizar o software e as ferramentas híbridas quânticas-clássicas tornam-na uma participante fundamental para ajudar as empresas a explorar o potencial quântico.
O Azure Quantum também oferece ferramentas poderosas para o desenvolvimento de algoritmos quânticos. Isso pode facilitar para cientistas e programadores escreverem códigos que possam ser executados em futuros hardwares quânticos.
Amazon Braket
A entrada Amazonna computação quântica está disponível através da sua plataforma de nuvem AWS.Amazon oferece aos utilizadores a capacidade de testar algoritmos quânticos em hardware quântico real de vários parceiros, sem terem de construir os seus próprios computadores quânticos.
Através do Braket, os utilizadores podem realizar simulações e experiências em hardware de empresas como a IonQ e a Oxford Quantum Circuits. Isso permite que pesquisadores e desenvolvedores explorem as possibilidades quânticas atualmente.
O objetivo Amazoné promover a inovação e a experimentação, ao mesmo tempo em que fornece ferramentas fáceis de usar para desenvolvedores, a fim de apoiar o ecossistema quântico emergente. Amazon também Amazon que o acesso à nuvem para diversos tipos de hardware irá acelerar o progresso no campo quântico.
Startups e laboratórios de investigação notáveis
Algumas das inovações mais empolgantes na computação quântica estão a surgir de startups e laboratórios de pesquisa em todo o mundo.
- Rigetti. Pioneira em sistemas qubit supercondutores. A Rigetti oferece computação quântica baseada na nuvem e está a desenvolver chips cada vez mais potentes.
- IonQ. Utiliza tecnologia de íons aprisionados. Oferece alta precisão e longos tempos de coerência. A IonQ já é um parceiro importante para plataformas em nuvem como AWS e Azure.
- Xanadu. Especializada em computação quântica fotónica, que utiliza luz em vez de metais super-resfriados. Isso oferece potencialmente soluções quânticas mais escaláveis e à temperatura ambiente.
Muitas universidades e laboratórios nacionais (incluindo o MIT e o Caltech) estão a dar as suas próprias contribuições para a ciência quântica. As universidades costumam trabalhar em estreita colaboração com grandes empresas de tecnologia e startups.
O que é possível fazer hoje com computadores quânticos?
Os computadores quânticos atuais ainda estão em fase experimental inicial. Eles ainda não estão prontos para substituir os computadores clássicos ou resolver os maiores problemas do mundo. No entanto, já estão a ser usados para pesquisas e experiências de prova de conceito.
Os serviços baseados na nuvem mencionados acima dão aos investigadores e desenvolvedores acesso a processadores quânticos reais para testar novos algoritmos quânticos e explorar o que os sistemas quânticos podem fazer.
Até agora, os computadores quânticos têm sido usados para:
- Simule pequenas moléculas e reações químicas
- Explore novos materiais ao nível quântico
- Otimize pequenos problemas logísticos
- Estude outros fenómenos quânticos, como o entrelaçamento e a interferência.
- Pesquisa avançada em criptografia quântica
As máquinas atuais ainda são limitadas em tamanho e confiabilidade. Frequentemente, elas lidam apenas com algumas centenas de qubits, com taxas de erro relativamente altas. Isso significa que ainda não conseguem superar os supercomputadores clássicos na maioria das tarefas do mundo real. Os computadores quânticos são, por enquanto, principalmente uma ferramenta de pesquisa.
O que vem a seguir
Os próximos anos trarão grandes avanços na computação quântica. Empresas e investigadores estão a concentrar-se em várias áreas-chave. Um grande desafio é aumentar o número de qubits confiáveis, mantendo a sua qualidade. As empresas estão a trabalhar para ampliar os seus processadores quânticos de centenas para milhares (e, eventualmente, milhões) de qubits.
Os investigadores estão a desenvolver novas técnicas para resolver o problema da estabilidade. Um avanço importante será quando tivermos uma maneira melhor de estabilizar os qubits e corrigir erros automaticamente durante os cálculos.
A maioria dos especialistas prevê que, em 5 a 10 anos, começaremos a ver vantagens quânticas práticas, em que os computadores quânticos superarão os clássicos em aplicações específicas e valiosas.
À medida que o hardware melhora, os computadores quânticos começarão a oferecer valor real em setores como:
- Produtos farmacêuticos. Simulação de moléculas para projetar novos medicamentos
- Ciência dos materiais. Descobrindo novos materiais com propriedades únicas
- Finanças. Otimização de estratégias de investimento e análise de risco
- Logística. Resolução de problemas complexos de roteamento e cadeia de abastecimento
Desafios e limitações
Apesar da sua promessa, os computadores quânticos enfrentam hoje grandes desafios e limitações.
Conforme discutido, os qubits são frágeis e propensos a erros, e esse problema é conhecido como decoerência. Isso dificulta a realização de cálculos longos e confiáveis.
Os sistemas precisam de isolamento contra vibrações e blindagem eletromagnética. Construir e manter esses sistemas é complexo e caro. Não é algo que possa ser facilmente dimensionado.
Em termos de potência bruta, as máquinas quânticas atuais ainda são limitadas. Para tarefas diárias, como processamento de texto ou planilhas, um laptop comum é muito mais prático. Os computadores quânticos não foram projetados para substituir os dispositivos tradicionais nas tarefas diárias e provavelmente nunca o farão.
Superar esses desafios exigirá anos de pesquisa, mas as recompensas potenciais fazem com que valha a pena correr essa corrida.
Por que isso é importante para si
A computação quântica não se resume apenas à ciência teórica ou às grandes empresas de tecnologia a competir pelas manchetes. É uma tecnologia que pode transformar silenciosamente o mundo à sua volta. O futuro da computação quântica terá impacto em todos.
Já abordámos brevemente o facto de que a computação quântica poderia ajudar a descobrir novos medicamentos e tratamentos para doenças mais rapidamente do que nunca. Os investigadores podem prever como os novos medicamentos irão interagir com o corpo humano, examinando-os e simulando-os a nível quântico. Isto tem o potencial de acelerar os ensaios clínicos e reduzir custos. Tal poderia levar a avanços no tratamento de doenças que têm sido um problema ao longo da história da humanidade.
Também é promissor para resolver desafios complexos relacionados à energia e ao clima. Simulações quânticas podem ajudar a projetar baterias melhores e melhorar a eficiência das células solares. Também permite que os cientistas modelem sistemas climáticos em grande escala com mais precisão e pode abrir novas portas. Essas podem ser novas ferramentas poderosas na luta contra as alterações climáticas.
Outra área em que a computação quântica terá um impacto direto na sua vida é a cibersegurança. Muitos dos métodos de encriptação mais utilizados atualmente são algoritmos que protegem as suas contas bancárias, mensagens pessoais e dados. Eles dependem de problemas matemáticos que os computadores clássicos têm dificuldade em resolver.
Um computador quântico suficientemente potente poderia quebrar esses códigos em minutos. É por isso que os investigadores estão agora a correr para desenvolver uma encriptação quântica segura que possa resistir às capacidades das futuras máquinas quânticas.
Ao mesmo tempo, a computação quântica também pode permitir formas mais fortes de encriptação. Técnicas como a distribuição de chaves quânticas (QKD) podem tornar possível a criação de canais de comunicação que são praticamente invioláveis sob as premissas atuais e garantem a privacidade de dados confidenciais nas próximas décadas.
Nas mãos certas, a computação quântica torna-nos mais seguros. Nas mãos erradas, pode ser um grave perigo.
Mesmo que nunca utilize diretamente um computador quântico, as indústrias das quais depende serão todas afetadas pelas suas capacidades. Em resumo: a computação quântica pode remodelar os alicerces do mundo digital com o qual interage todos os dias.
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