Nas últimas cinco décadas, os processadores de computador padrão estão ficando cada vez mais rápidos. Nos últimos anos, Contudo, os limites dessa tecnologia tornaram-se claros:os componentes do chip só podem ser pequenos, e ser embalados tão próximos uns dos outros, antes que eles se sobreponham ou entrem em curto-circuito. Se as empresas quiserem continuar construindo computadores cada vez mais rápidos, algo precisará mudar.

Uma esperança fundamental para o futuro da computação cada vez mais rápida é meu próprio campo, física quântica. Espera-se que os computadores quânticos sejam muito mais rápidos do que qualquer coisa que a era da informação desenvolveu até agora. Mas minha pesquisa recente revelou que os computadores quânticos têm limites próprios - e sugeriu maneiras de descobrir quais são esses limites.

Os limites da compreensão

Para os físicos, nós, humanos, vivemos no que é chamado de mundo "clássico". A maioria das pessoas apenas chama de "o mundo, "e passaram a compreender a física intuitivamente:jogar uma bola a envia para cima e para baixo em um arco previsível, por exemplo.

Mesmo em situações mais complexas, as pessoas tendem a ter uma compreensão inconsciente de como as coisas funcionam. A maioria das pessoas entende que um carro funciona queimando gasolina em um motor de combustão interna (ou extraindo eletricidade armazenada de uma bateria), para produzir energia que é transferida por meio de engrenagens e eixos para girar os pneus, que empurram contra a estrada para mover o carro para a frente.

Sob as leis da física clássica, existem limites teóricos para esses processos. Mas eles são incrivelmente altos:por exemplo, sabemos que um carro nunca pode ir mais rápido do que a velocidade da luz. E não importa quanto combustível haja no planeta, ou quanta estrada ou quão fortes são os métodos de construção, nenhum carro chegará perto de atingir 10% da velocidade da luz.

As pessoas nunca realmente encontram os limites físicos reais do mundo, mas eles existem, e com pesquisa adequada, os físicos podem identificá-los. Até recentemente, no entanto, estudiosos tinham apenas uma ideia bastante vaga de que a física quântica também tinha limites, mas não sabia como descobrir como eles se aplicariam no mundo real.

A incerteza de Heisenberg

Os físicos traçam a história da teoria quântica desde 1927, quando o físico alemão Werner Heisenberg mostrou que os métodos clássicos não funcionavam para objetos muito pequenos, aqueles aproximadamente do tamanho de átomos individuais. Quando alguém joga uma bola, por exemplo, é fácil determinar exatamente onde a bola está, e quão rápido ele está se movendo.

Mas, como Heisenberg mostrou, isso não é verdade para átomos e partículas subatômicas. Em vez de, um observador pode ver onde está ou quão rápido está se movendo - mas não ambos ao mesmo tempo. Esta é uma percepção desconfortável:mesmo a partir do momento em que Heisenberg explicou sua ideia, Albert Einstein (entre outros) estava preocupado com isso. É importante perceber que esta "incerteza quântica" não é uma deficiência dos equipamentos de medição ou engenharia, mas sim como nossos cérebros funcionam. Nós evoluímos para estar tão acostumados com o funcionamento do "mundo clássico" que os mecanismos físicos reais do "mundo quântico" estão simplesmente além de nossa capacidade de compreensão.

Entrando no mundo quântico

Se um objeto no mundo quântico viaja de um local para outro, os pesquisadores não podem medir exatamente quando partiu nem quando chegará. Os limites da física impõem um pequeno atraso na detecção. Portanto, não importa o quão rápido o movimento realmente aconteça, ele não será detectado até um pouco mais tarde. (As extensões de tempo aqui são incrivelmente pequenas - quatrilionésimos de segundo - mas somam mais de trilhões de cálculos de computador.)

Esse atraso efetivamente diminui a velocidade potencial de uma computação quântica - impõe o que chamamos de "limite de velocidade quântica".

Nos últimos anos, pesquisar, para o qual meu grupo contribuiu significativamente, mostrou como esse limite de velocidade quântica é determinado em diferentes condições, como o uso de diferentes tipos de materiais em diferentes campos magnéticos e elétricos. Para cada uma dessas situações, o limite de velocidade quântica é um pouco mais alto ou um pouco mais baixo.

Para grande surpresa de todos, descobrimos até que, às vezes, fatores inesperados podem ajudar a acelerar as coisas, às vezes, de maneiras contra-intuitivas.

Para entender esta situação, pode ser útil imaginar uma partícula se movendo pela água:a partícula desloca as moléculas de água à medida que se move. E depois que a partícula mudou, as moléculas de água fluem rapidamente de volta para onde estavam, não deixando nenhum vestígio da passagem da partícula.

Agora imagine essa mesma partícula viajando pelo mel. O mel tem uma viscosidade mais alta do que a água - é mais espesso e flui mais lentamente - então as partículas de mel vão demorar mais para voltar depois que as partículas se movem. Mas no mundo quântico, o fluxo de retorno do mel pode criar pressão que impulsiona a partícula quântica para a frente. Essa aceleração extra pode tornar o limite de velocidade de uma partícula quântica diferente do que um observador poderia esperar.

Projetando computadores quânticos

À medida que os pesquisadores entendem mais sobre esse limite de velocidade quântica, afetará o modo como os processadores quânticos dos computadores são projetados. Assim como os engenheiros descobriram como reduzir o tamanho dos transistores e empacotá-los juntos em um chip de computador clássico, eles vão precisar de alguma inovação inteligente para construir os sistemas quânticos mais rápidos possíveis, operando o mais próximo possível do limite de velocidade final.

Há muito para pesquisadores como eu explorar. Não está claro se o limite de velocidade quântica é tão alto que é inatingível - como o carro que nunca chegará nem perto da velocidade da luz. E não entendemos totalmente como elementos inesperados no ambiente - como o mel no exemplo - podem ajudar a acelerar os processos quânticos. À medida que as tecnologias baseadas na física quântica se tornam mais comuns, precisaremos descobrir mais sobre onde estão os limites da física quântica, e como projetar sistemas que aproveitem ao máximo o que sabemos.

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