Por muitos anos, os computadores quânticos não eram muito mais do que uma ideia. Hoje, empresas, governos e agências de inteligência estão investindo no desenvolvimento de tecnologia quântica. Robert König, professor de teoria de sistemas quânticos complexos na TUM, em colaboração com David Gosset do Institute for Quantum Computing da University of Waterloo e Sergey Bravyi da IBM, agora colocou uma pedra angular neste campo promissor.

Os computadores convencionais obedecem às leis da física clássica. Eles contam com os números binários zero e um. Esses números são armazenados e usados ​​para operações matemáticas. Em unidades de memória convencionais, cada bit - a menor unidade de informação - é representado por uma carga que determina se o bit é definido como um ou zero.

Em um computador quântico, Contudo, um bit pode ser zero e um ao mesmo tempo. Isso ocorre porque as leis da física quântica permitem que os elétrons ocupem vários estados ao mesmo tempo. Bits quânticos, ou qubits, portanto, existem em vários estados sobrepostos. Essa chamada superposição permite que os computadores quânticos realizem operações em muitos valores de uma só vez, enquanto um único computador convencional deve executar essas operações sequencialmente. A promessa da computação quântica está na capacidade de resolver certos problemas de maneira significativamente mais rápida.

Da conjectura à prova

König e seus colegas já demonstraram conclusivamente a vantagem dos computadores quânticos. Para este fim, eles desenvolveram um circuito quântico que pode resolver um problema algébrico difícil específico. O novo circuito tem uma estrutura simples - ele executa apenas um número fixo de operações em cada qubit. Esse circuito é conhecido como tendo uma profundidade constante. Em seu trabalho, os pesquisadores provam que o problema em questão não pode ser resolvido usando circuitos clássicos de profundidade constante. Além disso, eles respondem à questão de por que o algoritmo quântico vence qualquer circuito clássico comparável:O algoritmo quântico explora a não localidade da física quântica.

Antes deste trabalho, a vantagem dos computadores quânticos não havia sido comprovada nem demonstrada experimentalmente - apesar de as evidências apontarem nessa direção. Um exemplo é o algoritmo quântico de Shor, que resolve eficientemente o problema da fatoração de primos. Contudo, é apenas uma conjectura da teoria da complexidade de que esse problema não pode ser resolvido de forma eficiente sem computadores quânticos. Também é concebível que a abordagem certa simplesmente ainda não tenha sido encontrada para os computadores clássicos.

Robert König considera os novos resultados principalmente como uma contribuição para a teoria da complexidade. "Nosso resultado mostra que o processamento de informações quânticas realmente fornece benefícios - sem ter que depender de conjecturas teóricas da complexidade não comprovadas, "diz ele. Além disso, o trabalho fornece novos marcos no caminho para os computadores quânticos. Por causa de sua estrutura simples, o novo circuito quântico é um candidato para uma realização experimental de curto prazo de algoritmos quânticos.