No início de julho, O Google anunciou que vai expandir seus serviços de computação em nuvem disponíveis comercialmente para incluir a computação quântica. Um serviço semelhante está disponível na IBM desde maio. Esses não são serviços que a maioria das pessoas comuns ainda terá muitos motivos para usar. Mas tornar os computadores quânticos mais acessíveis ajudará o governo, grupos de pesquisa acadêmica e corporativa em todo o mundo continuam seus estudos sobre as capacidades da computação quântica.

Compreender como esses sistemas funcionam requer a exploração de uma área da física diferente daquela com a qual a maioria das pessoas está familiarizada. Pela experiência cotidiana, estamos familiarizados com o que os físicos chamam de "mecânica clássica, "que governa a maior parte do mundo, podemos ver com nossos próprios olhos, como o que acontece quando um carro bate em um prédio, o caminho que uma bola segue quando é lançada e por que é difícil arrastar um refrigerador em uma praia arenosa.

Mecânica quântica, Contudo, descreve o reino subatômico - o comportamento dos prótons, elétrons e fótons. As leis da mecânica quântica são muito diferentes das da mecânica clássica e podem levar a alguns resultados inesperados e contra-intuitivos, como a ideia de que um objeto pode ter massa negativa.

Físicos de todo o mundo - no governo, grupos de pesquisa acadêmica e corporativa - continue a explorar implementações no mundo real de tecnologias baseadas na mecânica quântica. E cientistas da computação, incluindo eu, estão procurando entender como essas tecnologias podem ser usadas para aprimorar a computação e a criptografia.

Uma breve introdução à física quântica

Em nossas vidas normais, estamos acostumados com coisas que existem em um estado bem definido:uma lâmpada está ligada ou desligada, por exemplo. Mas no mundo quântico, os objetos podem existir no que é chamado de superposição de estados:uma hipotética lâmpada de nível atômico pode estar simultaneamente ligada e desligada. Este estranho recurso tem ramificações importantes para a computação.

A menor unidade de informação na mecânica clássica - e, Portanto, computadores clássicos - é o bit, que pode conter um valor de 0 ou 1, mas nunca os dois ao mesmo tempo. Como resultado, cada bit pode conter apenas uma informação. Esses bits, que podem ser representados como impulsos elétricos, mudanças nos campos magnéticos, ou até mesmo um interruptor físico liga-desliga, formam a base para todos os cálculos, armazenamento e comunicação nos computadores atuais e nas redes de informação.

Qubits - bits quânticos - são os equivalentes quânticos dos bits clássicos. Uma diferença fundamental é que, devido à superposição, qubits podem conter simultaneamente valores de 0 e 1. As realizações físicas de qubits devem estar inerentemente em escala atômica:por exemplo, no spin de um elétron ou na polarização de um fóton.

Computando com qubits

Outra diferença é que os bits clássicos podem ser operados independentemente uns dos outros:Inverter um bit em um local não tem efeito sobre os bits em outros locais. Qubits, Contudo, podem ser configurados usando uma propriedade da mecânica quântica chamada emaranhamento, de modo que sejam dependentes uns dos outros - mesmo quando estão distantes. Isso significa que as operações realizadas em um qubit por um computador quântico podem afetar vários outros qubits simultaneamente. Esta propriedade - semelhante a, mas não o mesmo que, processamento paralelo - pode tornar a computação quântica muito mais rápida do que em sistemas clássicos.

Computadores quânticos de grande escala - isto é, computadores quânticos com centenas de qubits - ainda não existem, e são difíceis de construir porque exigem que as operações e medições sejam feitas em escala atômica. Computador quântico da IBM, por exemplo, atualmente tem 16 qubits, e o Google está prometendo um computador quântico de 49 qubit - o que seria um avanço surpreendente - até o final do ano. (Em contraste, laptops atualmente têm vários gigabytes de RAM, com um gigabyte sendo oito bilhões de bits clássicos.)

Uma ferramenta poderosa

Apesar da dificuldade de construir computadores quânticos funcionais, os teóricos continuam a explorar seu potencial. Em 1994, Peter Shor mostrou que os computadores quânticos podem resolver rapidamente os complicados problemas matemáticos subjacentes a todos os sistemas de criptografia de chave pública comumente usados, como aqueles que fornecem conexões seguras para navegadores da web. Um computador quântico de grande escala comprometeria completamente a segurança da Internet como a conhecemos. Os criptógrafos estão explorando ativamente novas abordagens de chave pública que seriam "resistentes ao quantum, "pelo menos tanto quanto eles sabem atualmente.

Interessantemente, as leis da mecânica quântica também podem ser usadas para projetar criptosistemas que são, em alguns sentidos, mais seguro do que seus análogos clássicos. Por exemplo, A distribuição quântica de chaves permite que duas partes compartilhem um segredo que nenhum intruso pode recuperar usando computadores clássicos ou quânticos. Esses sistemas - e outros baseados em computadores quânticos - podem se tornar úteis no futuro, amplamente ou em mais aplicações de nicho. Mas um desafio importante é fazê-los trabalhar no mundo real, e em grandes distâncias.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.