Como os computadores armazenam informações?

Antes de mergulharmos no poderoso mundo da computação quântica, será muito útil entender como os computadores existentes armazenam informações. Os computadores armazenam unidades individuais de informação conhecidas como bits (a menor unidade de dados que um computador pode armazenar). Cada bit armazena um valor 0 ou 1 e muitos bits podem ser combinados para representar informações. Por exemplo, podemos combinar 6 bits para formar a linha “101010”, que armazena o número 42. Se combinarmos milhões ou mesmo bilhões de bits, poderemos armazenar informações mais complexas, como imagens, vídeos e videogames.

Os bits são armazenados usando minúsculos dispositivos elétricos conhecidos como transistores (um dispositivo eletrônico em miniatura que funciona como um interruptor. Cada transistor armazena um bit). Os transistores são como interruptores liga e desliga. Se um transistor estiver desligado, ele armazena o valor 0. Por outro lado, se um transistor estiver ligado, ele armazena o valor 1. A Figura 1 mostra uma representação muito simples de como essa lógica pode ser usada para criar sequências de bits, como “101010”. Para ter bits suficientes para armazenar informações mais complexas, um telefone moderno típico contém bilhões de transistores compactados.

Resumindo, nossos computadores existentes armazenam informações na memória usando bilhões de transistores, cada um dos quais armazena um bit (0 ou 1), e que se combinam para representar informações potencialmente complexas. Historicamente, o avanço dos computadores seguiu uma tendência conhecida como Lei de Moore, a observação de que o número de transistores em um microchip dobra a cada dois anos, que prevê que o número de transistores que podemos colocar em chips de computador dobra a cada dois anos. Os chips de computadores modernos podem conter mais de 100 milhões de transistores por milímetro quadrado, e estamos potencialmente nos aproximando de um limite físico de quantos podemos acomodar. Isto levou a um acalorado debate sobre se a Lei de Moore está “morta”.

O que é um computador “quântico”?

Um computador quântico é um dispositivo que utiliza o comportamento único das partículas quânticas, as menores unidades de matéria e energia, descritas pela mecânica quântica (elétrons e fótons, por exemplo) para fazer cálculos. Mas de onde vem a palavra “quântico” e o que ela significa? Vem do nome de mecânica quântica, o campo da física que descreve o comportamento da natureza nas menores escalas. Ela nos diz como as partículas se comportam e interagem. É uma teoria que descreve a física nas menores escalas do nosso universo.

A relevância da mecânica quântica para a computação quântica é que ela nos diz como as partículas se comportam e interagem umas com as outras. A mecânica quântica descreve um mundo fascinante onde as partículas podem se espalhar pelo espaço, estar em diferentes estados ao mesmo tempo e interferir umas nas outras como as ondas no oceano [1]. O comportamento no mundo quântico é bastante diferente do comportamento previsível do mundo que podemos ver ao nosso redor! Apesar do comportamento surpreendente das partículas descrito pela mecânica quântica, é uma das teorias mais precisas já desenvolvidas na história da ciência [2].

O comportamento de partículas minúsculas é melhor descrito pela mecânica quântica. Por exemplo, elétrons, fótons (partículas de luz) e núcleos atômicos exibem comportamento quântico e são, portanto, exemplos de partículas quânticas. Então, o que há nessas partículas que podemos usar para criar computadores quânticos poderosos? Uma das propriedades mais fundamentalmente importantes é o princípio da superposição (estar em vários estados ao mesmo tempo). Em essência, essa propriedade permite que as partículas quânticas armazenem muito mais informações do que podemos armazenar usando transistores.

Os Qubits e o mistério do gato de Schrödinger

A principal diferença entre computadores quânticos e computadores comuns é o uso de partículas quânticas em vez de transistores para armazenar informações e fazer cálculos. Assim como chamamos as informações armazenadas pelos transistores de “bits”, chamamos as informações armazenadas pelas partículas quânticas de “qubits” – um bit quântico de informação. Cada qubit, que é a abreviação de “bit quântico”, pode estar em uma superposição de armazenamento de 0 e 1. Para entender por que os qubits podem ser mais poderosos que os bits normais, primeiro você precisa entender o princípio da superposição da mecânica quântica.

Superposição pode parecer um termo um pouco assustador, mas significa apenas “estar em vários estados ao mesmo tempo”. Por mais estranho que pareça, as partículas quânticas podem estar em muitos tipos de superposições, como estar em vários locais ao mesmo tempo enquanto viajam em direções diferentes. Pode ajudar muito pensar nas partículas mais como ondas que se espalham pelo espaço, em vez de partículas pontuais.

Acredite ou não, você pode aprender muito sobre superposição quântica com uma história famosa, mas simples, sobre um gato, imaginada pelo físico austríaco Erwin Schrödinger em 1935 [3]. A história começa colocando um gato em uma caixa lacrada com um elemento radioativo e um frasco de veneno. Se a fonte de radiação emite uma partícula (o que acontece aleatoriamente), então a partícula aciona um martelo que cai e quebra o frasco de veneno, o que mata o gato (Figura 2). Não se preocupe com o que exatamente faz com que o frasco de veneno se quebre – apenas saiba que é um processo aleatório que não pode ser previsto com antecedência.

Se a caixa permanecer lacrada, não teremos como saber se o veneno foi liberado e se o gato está vivo ou morto. Schrödinger declarou que, até abrirmos a caixa, devemos considerar o gato vivo e morto ao mesmo tempo. Em outras palavras, o gato está numa superposição de estar vivo e morto. Porém, assim que abrimos a caixa e olhamos para dentro, essa superposição desaparece e conhecemos com certeza o estado do gato.

Certamente parece bobagem considerar que os gatos estão simultaneamente vivos e mortos, mas esta história é uma ótima analogia de como a mecânica quântica descreve o comportamento das partículas. Por exemplo, se não medirmos o estado de uma partícula, então ela pode realmente estar numa superposição de muitos estados. No entanto, uma vez medido o seu estado, esta sobreposição desaparece e “colapsará” num dos seus estados possíveis. Em essência, as partículas podem conter enormes quantidades de informação em sobreposição, mas quando tentamos medir este estado sobreposto, obtemos apenas uma parte dessa informação.

Computação Quântica: O Poder da Duplicação

A mecânica quântica nos diz que as partículas têm uma propriedade intrínseca chamada spin (rotação), que se refere ao “momento angular de spin”, uma propriedade intrínseca das partículas. O spin pode apontar para cima ou para baixo [1]. Para efeitos desta explicação, digamos que “spin up” (rotação para cima) representa um valor de 1, e “spin down” (rotação para baixo) representa um valor de 0. Então, você pode ver que, assim como os transistores, as partículas quânticas podem armazenar bits de informação. (neste caso, qubits), e podemos combinar partículas quânticas para criar linhas. No entanto, a mecânica quântica nos diz que as partículas quânticas podem estar em uma superposição de “spin up” e “spin down” – o que significa que os qubits podem armazenar os valores de 0 e 1 simultaneamente, o que é simplesmente impossível para um transistor (Figura 3).

Se combinarmos dois qubits, este sistema de 2 qubits pode armazenar os estados “00”, “01”, “10” e “11” simultaneamente (quatro estados), enquanto um sistema de transistor de 2 bits pode armazenar apenas um destes estados por vez. Se aumentarmos para 3 qubits, podemos armazenar “000”, “001”, “010”, “011”, “100”, “101”, “110” e “111” simultaneamente – oito estados! Na verdade, se combinarmos n-qubits, poderemos armazenar 2ⁿ estados simultaneamente. Se tivermos apenas 50 qubits, poderemos armazenar mais de 1 quatrilhão de estados ao mesmo tempo – potencialmente dando a um computador quântico acesso a mais estados do que um supercomputador com trilhões de transistores. Este é o poder da duplicação!

No entanto, quando medimos o estado do computador quântico, a sua superposição entrará em colapso e obteremos apenas um pouco de informação de cada vez. É como escolher apenas uma peça de um grande quebra-cabeça. Projetar algoritmos quânticos que levem isso em consideração é muito importante! A chave é construir um algoritmo quântico eficaz que examine todas as possibilidades de superposição e extraia estrategicamente o máximo de informação possível.

Os computadores quânticos estão se tornando uma realidade

Hoje, estamos no que é conhecido como a era de escala intermediária de ruído quântico, ou NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) , o que significa que os computadores quânticos atuais são limitados em tamanho e propensos a grandes erros. A maioria dessas máquinas ainda não é útil para aplicações no mundo real [4]. O caminho para computadores quânticos maiores e à prova de erros está sendo pavimentado por pesquisadores e empresas privadas inovadoras em todo o mundo. Incrivelmente, 2023 marcou a chegada dos primeiros computadores de 1.000 qubits, mas há muito progresso a ser feito na redução da taxa de erro dessas máquinas [5].

Embora o futuro da computação quântica permaneça desconhecido, o avanço da tecnologia quântica poderá trazer à humanidade uma riqueza de novas possibilidades de comunicação e processamento de informação. Poderá também trazer um novo conjunto de desafios, como garantir que esta poderosa tecnologia seja utilizada de forma ética. Mas uma coisa parece provável: a computação quântica mudará o mundo que nos rodeia.

Glossário

Bit: A menor unidade de dados que um computador pode armazenar. Cada bit armazena um valor de 0 ou 1.

Transistor: Um dispositivo eletrônico em miniatura que funciona como um interruptor. Cada transistor armazena um bit.

Lei de Moore: A observação de que o número de transistores em um microchip dobra a cada dois anos.

Partículas Quânticas: As menores unidades de matéria e energia, descritas pela mecânica quântica. Exemplos incluem elétrons e fótons.

Mecânica Quântica: O campo da física que descreve o comportamento da natureza nas menores escalas. Diz-nos como as partículas se comportam e interagem.

Superposição: Estar em vários estados ao mesmo tempo.

Qubits: Um bit quântico de informação. Cada qubit pode estar em uma superposição de armazenamento de 0 e 1.

Spin: Refere-se ao “momento angular de rotação”, uma propriedade intrínseca das partículas. O spin pode apontar para cima ou para baixo.

Referências

[1] Griffiths, D. J., e Schroeter, D. F. 2018. Introduction to Quantum Mechanics, 3^a ed. Cambridge: Cambridge University Press (2018).

[2] Renner, R., e Nurgalieva, N. 2021. Testing quantum theory with thought experiments. Contemp. Phys. 61:193–216. doi: 10.1080/00107514.2021.1880075

[3] Schrödinger, E. 1983. “The present situation in quantum mechanics: A translation of Schrödinger’s “cat paradox paper”, in Quantum Theory and Measurement”, eds. J. A. Wheeler, W. H. Zurek (Princeton: Princeton University Press), 152–167.

[4] Chen, S., Cotler, J., Huang, H. Y., e Li, J. 2023. The complexity of NISQ. Nat. Commun. 14:6001. doi: 10.1038/s41467-023-41217-6

[5] Preskill, J. 2018. Quantum computing in the NISQ era and beyond. Quantum 2:79. doi: 10.22331/q-2018-08-06-79

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