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Por: Prof. Roberto N. Onody^*

Computadores clássicos baseiam-se em informações contidas em bits. O bit é uma variável que pode assumir apenas dois valores: 0 ou 1. Quando, no circuito, um capacitor está sem carga associamos o valor zero e quando está totalmente carregado associamos o valor um. O estado da memória de um computador nada mais é do que o conjunto dos valores de seus bits. Para alterarmos o estado da memória de um computador, precisamos de um código computacional, da mesma maneira que, para entendermos a evolução temporal de um sistema natural qualquer, precisamos das leis da Física.

Esse circuito de bits, composto por transistores e capacitores, formam a DRAM (Dynamical Random Access Memory). Se nós tivermos n bits, o número total de estados será 2ⁿ. Os estados 0 ou 1 correspondem, respectivamente, a ausência ou a presença de uma carga adicional no capacitor de, digamos, 300.000 elétrons. Por que tantos elétrons, por que não operar apenas com um único elétron? Os elétrons são partículas muito leves e estão em constante movimento. Se a carga presente no capacitor fosse de apenas um único elétron e, caso esse elétron vazasse do capacitor (migrando para um outro local), isto mudaria o estado do capacitor para zero e seria uma falha que, em computação, chamamos de erro. Porém, se de um total de 300.000 elétrons, apenas alguns poucos migrarem para outro local, isto não representará, de fato, em um grande problema. Mesmo assim, os circuitos eletrônicos checam constantemente o nível de carga e repõem a quantidade necessária para evitar erros.

Computadores quânticos se baseiam em qubits. Há várias maneiras de produzir qubits, por exemplo, através de circuitos supercondutores ¹ ou da polarização dos fótons ². Um resultado fundamental da Mecânica Quântica é que um sistema pode estar numa superposição de estados. Cada estado tem uma certa probabilidade de ocorrer. Para entendermos a superposição de estados quânticos, vamos comparar uma operação lógica num algoritmo clássico de 3 bits com outro de natureza quântica (veja Tabela 1).

No caso Clássico, vamos supor que o sistema está, inicialmente, no estado 010. Nos instantes seguintes, o algoritmo conduz o sistema para os estados 011, 101, 000, 010 e assim por diante. Um estado de cada vez. Já, no caso Quântico, vamos supor que inicialmente o estado inicial seja uma superposição de 010 e 011. No instante seguinte (veja Tabela 2), o sistema vai para uma combinação dos estados 001, 100 e 111, em seguida para uma mistura de todos os 8 estados.  Vemos que o computador quântico é mais rico e complexo do que o clássico, o que permite que ele seja mais rápido e eficiente na solução de determinados problemas.

Como vimos acima, pequenas flutuações no número de elétrons não afetam de maneira importante o computador clássico que é robusto (muitos bits) e tem autorregulagem (redundância). Mas essa checagem feita pelo sistema é uma interferência que destrói o estado quântico. Para diminuir essa flutuação do número de elétrons (ruído) devemos abaixar a temperatura do sistema. Foi o que fez a Google ao lançar mão dos supercondutores ¹.

Para demonstrar a ‘supremacia’ (palavra utilizada originalmente pela Google, e, por ter uma conotação étnica, hoje em dia está sendo substituída pelo termo ‘vantagem’) do computador quântico em relação ao clássico, eles construíram um dispositivo (que chamaram de Sycamore) com 53 qubits feitos com circuitos supercondutores (veja Figura 1 no início da matéria). O material utilizado foi o Alumínio, que se torna supercondutor a 1 grau Kelvin.  Os elétrons se juntam numa única unidade e o qubit formado é, basicamente, um oscilador de elétrons. O sistema oscila entre o estado de mais baixa energia, que chamaremos de estado zero do qubit, e o primeiro estado excitado, que chamaremos de estado um do qubit. A frequência de ressonância desse oscilador é de 6 Ghz (micro-ondas), ou seja, a diferença de energia do estado um para o estado zero é muito pequena, cerca de 2,5 10 ^-5 eV. Isso equivale a uma temperatura de 0,3 Kelvin. A Google comparou o desempenho de Sycamore com o do supercomputador Summit no Teenessee. Concluiu que Summit levaria 10.000 anos para um cálculo que Sycamore levaria apenas 3 minutos e 20 segundos! Essa conclusão foi, porém, contestada logo em seguida.

Recentemente, Zhong et al. ² estudaram a construção de um computador quântico fotônico (veja Figura 2). Em 2011, dois cientistas computacionais, Aaronson e Arkhipov, estudaram a chamada amostragem bosônica, que consiste em determinar a probabilidade de encontrar um bóson em uma dada posição, num sistema de muitos bósons em que se leva em conta as interferências de suas funções de onda. Eles obtiveram uma expressão com um número gigantesco de incógnitas e concluíram ser impossível resolvê-la através do uso de computadores clássicos.

Através de pulsos de laser, Zhong et al. ² polarizaram fótons que depois foram deixados interferir uns com os outros, gerando assim, a amostra de fótons. Os qubits eram os próprios fótons. Tudo isso foi realizado a temperatura ambiente. A equipe chinesa utilizou então, fotodetectores capazes de registrar cada um dos fótons e medir sua distribuição. O problema da amostragem de bósons (aqui, fótons) estava resolvido.

Segundo os pesquisadores, o supercomputador chinês Sunway TaihuLight, atualmente o mais rápido do mundo, levaria 2,5 bilhões de anos para completar os cálculos, metade da idade da Terra. O experimento todo desenvolvido pela equipe chinesa levou apenas 200 segundos! Um resultado impressionante e muito animador!

Referências:

¹ Arute, F. et al. Nature 574, 505–510 (2019)

² Zhong,H.S. et al. Science,

   https://doi.org/10.1126/science.abe8770 (2020).

^*Físico, Professor Sênior do IFSC – USP

(Agradecimento: Sr. Rui Sintra da Assessoria de Comunicação)

Assessoria de Comunicação – IFSC/USP

14 de dezembro de 2020