Cálculos quânticos

Os fabricantes já estão chegando ao limite máximo da computação clássica. Para atender às necessidades da ciência, computadores baseados nas leis quânticas estão a caminho

Chip para computador quântico criado na Universidade da Califórnia: busca ainda sem final feliz

No mundo todo, cientistas tentam produzir um computador que funcione conforme as leis da física quântica. Uma equipe canadense afirma até que eles já estão entre nós. Nem os mais céticos, porém, duvidam que esses aparelhos serão realidade nos próximos dez anos. Os computadores quânticos da primeira geração terão o tamanho de uma caminhonete, vão custar milhões de dólares e consumir mais energia do que as tomadas da sua casa podem suportar.

Além disso, é provável que o tablet ou o celular que você já tem continuem a ser mais eficientes nas tarefas do dia a dia. Então, por que tanto investimento? É que, para a ciência, os computadores quânticos serão revolucionários: vão fazer cálculos hoje impossíveis até para supercomputadores, numa velocidade incrível. Alguns protótipos já foram apresentados, mas nenhum ainda provou ser muito prático. É um caminho difícil, porque a física quântica é esquisita e imprevisível. Uma amostra disso: segundo as leis quânticas, os computadores vão fazer operações em universos paralelos, em várias dimensões ao mesmo tempo. Por isso serão tão rápidos.

O mundo que percebemos segue a mecânica de Newton. Se um objeto cair de uma mesa, sabemos intuitivamente onde ele vai parar. Já no mundo da mecânica quântica, leis diferentes determinam os movimentos dos átomos e das partículas subatômicas, como os elétrons e nêutrons. Essas leis são tão estranhas que Niels Bohr, um dos físicos mais importantes da área, disse: “Se alguém falar que consegue pensar em física quântica sem ficar zonzo, é porque certamente não a compreendeu”.

Um exemplo: se você correr de encontro a uma parede, vai bater e se machucar. Mas se um elétron fizer o mesmo, pode atravessar a parede. Aliás, nem precisa atravessar: provavelmente ele já está na sua sala e na do vizinho ao mesmo tempo. É nesse campo maluco da ciência que os próximos supercomputadores estão sendo desenvolvidos.

Qual a diferença?

Um computador clássico faz cálculos processando uma etapa de cada vez. Eles já estão bem rápidos porque os transistores, as unidades que contêm as informações em bits (bit é a menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida), foram ficando menores e mais próximos. Mas as operações para as pesquisas científicas estão maiores e mais complexas. Chegamos a um ponto em que certos cálculos levariam milhares de anos para ser concluídos até pelo computador mais poderoso do mundo (veja texto ao final da reportagem). Agora, imagine se você pudesse teclar ao mesmo tempo em milhões de computadores.

Voltemos aos bits para entender a diferença. Os computadores clássicos trabalham com sistemas binários, porque os bits só podem estar ligados ou desligados. Na linguagem da computação, eles marcam 1 ou 0. Mas os qubits, os bits quânticos, são bem mais versáteis, porque têm a propriedade da superposição: eles podem estar nas posições 1 e 0 ao mesmo tempo. A vantagem está no número de combinações possíveis entre as unidades que contêm informações. Para montar um computador quântico, precisamos de átomos isolados. Retire o elétron do átomo e prenda-o em um cristal de material estável, tantas vezes quantas julgar necessário… Há cientistas que já conseguem montar “transistores” com qubits de verdade.

O Eniac, primeiro “cérebro eletrônico”: 167 m2 de espaço ocupado
O Eniac, primeiro “cérebro eletrônico”: 167 m2 de espaço ocupado

Em 2012, uma equipe da Universidade de Nova Gales do Sul (Austrália) pôs dois qubits lado a lado e fez o primeiro cálculo com tecnologia quântica da história. Segundo Andrew Dzurak, um dos pesquisadores, eles montaram os circuitos usando silício, que pode ser explorado em escala industrial. “O problema é que os qubits precisam de temperaturas muito baixas, que só conseguimos atingir com máquinas que têm o tamanho de quatro geladeiras juntas. Então, não dá para imaginar que teremos um computador quântico no bolso tão cedo”, diz Dzurak.

As dificuldades não param aí. Além de isolar elétrons e deixar a máquina numa temperatura mais baixa do que a de Plutão (-273° centígrados), é preciso manter os qubits em sincronia. “Hoje, alguns laboratórios conseguem manter a sincronia com um número pequeno de qubits e apenas durante poucas operações”, explica Andrew Millis, da Universidade Columbia, em Nova­ York.

Questão de tempo

Em 1947, o primeiro transistor tinha um metro quadrado e parecia uma mesa de centro. Quase 70 anos depois, temos chips que cabem na ponta do dedo e contêm 1 bilhão de transistores medindo 22 nanômetros – 5 mil vezes menor que a espessura de um fio de cabelo. Os computadores que temos já não são rápidos o suficiente? Depende do que é suficiente para cada um. Um jornalista, por exemplo, usa “só” a internet, as redes sociais, os programas de texto, o e-mail… Mas um cientista espacial precisa fazer simulações complexas, com tempo e distância inimagináveis. Para ele, o computador de hoje deixa a desejar.

O limite dos sistemas mecânicos está no tamanho. Quanto menores, mais rápidos e práticos. Agora, se ficar pequeno demais, vai ser difícil controlar o comportamento dos bits.
Os computadores quânticos não são uma evolução dos clássicos. Trata-se de uma tecnologia diferente, para executar tarefas que os processadores tradicionais não conseguem executar. A indústria farmacêutica, por exemplo, vai desenvolver medicamentos simulando todos os efeitos possíveis antes de testá-los nos pacientes. Cientistas vão navegar em bancos com bilhões de dados, como quem busca o telefone da pizzaria na internet.

A disputa não está para brincadeira. Equipes dos principais centros de pesquisa do mundo estão investindo nisso. A Microsoft tem um time de primeira linha dedicado a pesquisar os qubits. O Google e a Nasa se juntaram para explorar as máquinas produzidas pela canadense D-Wave. O primeiro protótipo D-Wave, de 2007, tinha 16 qubits; já a terceira geração, o D-Wave 2X, de 2015, tem mais de 1.000 qubits e faz operações 600 vezes mais rápido que um computador clássico. O D-Wave ainda é visto com desconfiança pelos cientistas de outros laboratórios, mas é o sinal mais concreto de uma jornada irre­versível.

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Desafio infindável

O vendedor tem de viajar a 14 cidades para oferecer seus produtos. Ele quer trabalhar usando a rota mais curta, mas há 1011 rotas possíveis. Um computador clássico, que trabalha numa velocidade de 109 operações por segundo, levaria 100 segundos para resolver o enigma. Agora imagine que o vendedor vai a 22 cidades. Ele tem agora 1019 rotas possíveis. O mesmo computador levaria 1.600 anos para dar a resposta. E, se pensarmos em 28 cidades, a solução demoraria a idade do universo.

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