Por Susanna Ray

A computação quântica sempre pareceu uma promessa sem fim: uma tecnologia misteriosamente poderosa que está  “ cerca de 10 anos à frentee distância”. Se você se desconectou do assunto, não está sozinho.

Mas algo mudou recentemente. Pesquisadores  falam em anos, não décadas.

Sim,  estamos no início. Os sistemas quânticos continuam frágeis, complexos e em sua maioria confinados em laboratórios. Por isso, os computadores clássicos seguem como os instrumentos de trabalho mais confiáveis. Mas, o desenvolvimento quântico ultrapassou um limite onde o progresso parece tangível, não apenas teórico.

Este é o momento em que você começará a ouvir mais sobre os conceitos — e o vocabulário — porque eles começarão a influenciar como cientistas simulam o comportamento molecular, exploram novos materiais que podem resultar em baterias de maior duração ou produtos químicos mais limpos, e lidam com outros problemas complexos que poderiam levar milhões de anos para serem resolvidos pelos computadores atuais.

À medida que o impacto da computação quântica ultrapassa os ambientes de pesquisa, o seu vocabulário notoriamente difícil de entender também se expande. Aqui está um guia para  compreender as ideias-chave dessa tecnologia emergente.

1. Quântico: mais do que a soma das partes

Você já viu um flash mob, quando um grupo de pessoas de repente começa uma rotina de dança sincronizada?

De longe, você não percebe realmente os dançarinos individuais. O que vê é todo mundo se movendo junto — girando e mergulhando como um só, em uma onda de movimento na qual  os passos de cada pessoa dependem dos outros e só têm impacto como parte de um conjunto maior. Juntos, eles criam algo que nenhum dançarino conseguiria realizar sozinho.

Essa é uma maneira útil de pensar sobre o comportamento quântico. A palavra “quântico” refere-se à natureza em suas menores escalas, onde átomos e elétrons produzem efeitos ao se comportarem  como um grupo coordenado do que como objetos separados e independentes.

O termo aparece em muitos campos — física quântica, mecânica quântica, computação quântica e assim por diante — porque todos focam nesse nível ampliado, onde o resultado pode depender de como as partes se relacionam entre si. A computação quântica é uma abordagem que aproveita esses comportamentos em grupo para processar informações de novas maneiras.

2. Qubits: os participantes individuais

Um qubit é a unidade básica de informação em um computador quântico, como um dançarino em um flash mob.

Na computação cotidiana, a informação é armazenada em bits, que funcionam como interruptores: 1 ou 0, ligado ou desligado. São como dançarinos individuais recebendo instruções claras: “você sempre fica parado” ou “você sempre dá um passo”,  uma decisão clara de cada vez. Os computadores funcionam encadeando grandes quantidades desses bits em padrões que representam dados e instruções.

Um qubit se comporta de maneira diferente. É um dançarino treinado para muitos movimentos: pronto para ficar, andar ou até saltar dependendo dos sinais do grupo, e capaz de mudar conforme a rotina se desenrola. O poder do qubit vem de como ele atua em conjunto com outros, como parte de um sistema coordenado.

As empresas constroem qubits de várias formas, usando desde pequenos circuitos elétricos até átomos individuais ou partículas de luz. Alguns têm cerca de um centímetro de tamanho; outros são tão pequenos que um milhão deles caberia em um chip menor que a palma da sua mão.

3. Superposição: mantendo opções abertas

Uma das razões pelas quais computadores quânticos são únicos é a forma como abordam problemas. Em vez de ficarem presos a um único caminho passo a passo, como os computadores clássicos, eles permanecem flexíveis e capazes de explorar várias possibilidades ao mesmo tempo antes de chegar a um resultado final.

Isso é chamado de “superposição”.

Protegidos do ruído, calor, vibração e afins, os qubits podem permanecer nesse estado intermediário, onde ainda não foram forçados a escolher uma direção e múltiplos resultados continuam possíveis — até serem medidos.

É como uma moeda girando dentro de uma caixa. Enquanto está girando, a moeda não é cara nem coroa e está aberta a ambas as opções, mas a interrupção de abrir a caixa para verificar força a moeda a cair de um lado ou doe outro, escolhendo um único resultado.

A superposição permite que sistemas quânticos explorem muitos caminhos possíveis ao mesmo tempo,  tempo suficiente para que o cálculo ocorra e seja direcionado para uma resposta mais útil.

4. Interferência: amplificando o que importa

No uso cotidiano, interferência significa atrapalhar. Na computação quântica, significa algo mais útil.

Quando qubits estão em superposição, um computador quântico acompanha várias formas possíveis de um cálculo se desenrolar. Interferência descreve como essas possibilidades se combinam. Algumas se alinham e se reforçam, tornando certos resultados mais prováveis. Outras se anulam, tornando esses resultados menos prováveis. É como fones que suprimem sons que não combinam com o padrão de uma voz, amplificando os tons que você realmente quer ouvir.

Isso é especialmente poderoso para simular a natureza, porque moléculas e materiais seguem as mesmas regras: lembre-se que “quântico” descreve como a natureza se comporta em suas menores escalas, dependendo de como as partículas combinam e se anulam no nível atômico.

Computadores clássicos precisam aproximar esse comportamento com árduas e longas árvores de decisão lineares. Por isso a interferência importa: ao usá-la para destacar padrões, computadores quânticos poderão ajudar pesquisadores a prever o comportamento de uma molécula ou explorar novos materiais, guiando decisões de pesquisa mais inteligentes no laboratório.

5. Emaranhamento: qubits em relacionamento

Na computação clássica, a informação vive em bits individuais. Na computação quântica, algo chamado emaranhamento permite que a informação viva nos relacionamentos entre qubits. Em vez de trabalhar com interruptores isolados, um computador quântico trabalha com escolhas interligadas.

Problemas do mundo real geralmente envolvem relações, como encontrar um horário ou uma rota onde muitos fatores precisam se encaixar. Computadores clássicos testam possibilidades passo a passo, enquanto o emaranhamento permite que um computador quântico considere várias opções conectadas ao mesmo tempo, tornando combinações compatíveis mais prováveis e incompatíveis menos frequentes.

Contudo, e aqui entra o domínio da ficção científica, qubits emaranhados não precisam estar fisicamente entrelaçados. Eles são configurados por uma interação compartilhada que cria um estado no qual  não se pode descrever um sem o outro — como um par de luvas,  uma é esquerda e outra é direita. Uma vez unidos, o relacionamento persiste mesmo que os qubits estejam distantes.

6. Portas: dando os sinais aos qubits

Qubits são inerentemente delicados e dinâmicos. Eles não mantêm estados fixos e ordenados como os bits. Para transformar seu comportamento em um cálculo útil e repetível, um computador quântico necessita de uma maneira precisa de controlar como os qubits mudam e interagem. É aí que entram as portas.

Uma porta quântica é uma operação controlada que altera o estado de um qubit ou coordena múltiplos qubits. Portas são as instruções que constroem um programa quântico. Um desenvolvedor ou pesquisador escreve um programa em termos de portas, e a máquina executa essas ações usando pulsos precisos de energia, geralmente sinais eletromagnéticos, que fazem os qubits agir de modos específicos.

Os desenvolvedores às vezes escrevem essas direções como uma espécie de partitura musical, com linhas horizontais para qubits e símbolos marcando quando as portas atuam — mais parecido com uma pauta do que com código tradicional. Sem esses sinais, não há performance. Só há cacofonia.

Portas transformam o comportamento quântico em computação.

7. Correção de erros: mantendo tudo junto

Sistemas quânticos são poderosos, mas frágeis.

Qubits são extremamente sensíveis ao ambiente, e pequenas perturbações, como um pouco de calor, vibração, um sinal eletromagnético perdido, podem desviá-los e embaralhar os padrões que um computador quântico tenta construir. Pesquisadores podem até perder qubits completamente, à medida que partículas se afastam ou desaparecem.

Por isso tanto esforço é dedicado a proteger e resfriar sistemas quânticos. E também por isso a correção de erros é necessária, em que a informação é distribuída entre um grupo de qubits para que um erro em um não prejudique todo o cálculo.

Voltando à dança: é como montar uma rotina em grupo com espaçamento suficiente para que o tropeço de um dançarino não prejudique toda a performance. A formação absorve o deslize sem desmontar a sequência inteira.

Isso importa porque não se pode corrigir qubits como computadores podem detectar um arquivo corrompido, já que qualquer tentativa de ler um qubit irá perturbá-lo. Um sistema de correção de erros oferece uma forma de os computadores quânticos manterem tudo junto tempo suficiente para concluir um cálculo.

8. Tolerância a falhas: mantendo-se no caminho

A correção de erros quânticos é um conjunto de ferramentas. A computação quântica tolerante a falhas é o estágio em que esse conjunto funciona bem o suficiente para que o computador execute cálculos longos de forma confiável, mesmo que pequenos erros ocorram pelo caminho.

Em outras palavras, tolerância a falhas não significa “sem erros”. Significa que o sistema é projetado para que esses erros não se acumulem. Eles são detectados e corrigidos rápido o suficiente para que o cálculo geral continue no caminho certo.

Muitos dos problemas complexos que se espera que computadores quânticos possam resolver exigem a execução de várias operações em sequência, como simular reações químicas ou o comportamento de um novo material sob diferentes condições. Cada operação é mais uma chance de que pequenos erros apareçamcerem, o que torna cálculos longos especialmente exigentes.

Sem tolerância a falhas, o estado quântico tende a se desviar ou colapsar antes que o cálculo termine. Com tolerância a falhas, o sistema absorve os erros e segue em frente, possibilitando algoritmos mais profundos e úteis.

9. Qubits lógicos: indo além

O difícil não é manter qubits estáveis por um instante; é mostrar que eles podem realizar um cálculo real enquanto erros são detectados e corrigidos ao longo do processo. Quando isso acontece — quando um grupo de qubits consegue executar um cálculo juntos — o sistema atinge o território dos qubits lógicos.v A diferença chave é que um qubit lógico não apenas é mantido intacto; ele pode permanecer estável durante todo o cálculo.

Pense em uma performance coordenada. Os erros são resolvidos sem interromper o show. De longe, dá para perceber se os dançarinos mantêm a sincronização até o fim, mesmo que alguém se desvie em algum momento. O grupo executa a rotina melhor do que um dançarino sozinho conseguiria.

Quando pesquisadores falam em qubits lógicos, estão falando de um verdadeiro marco: demonstrar que a correção de erros quânticos e a tolerância a falhas funcionam bem o suficiente para suportar cálculos úteis. É o ponto em que o hardware quântico para de se desmanchar antes de terminar o cálculo e começa a se comportar como uma máquina sobre a qual se pode construir.

10. Qubits topológicos: estabilidade por design

Grande parte do trabalho quântico atual foca em corrigir erros depois que  acontecem. Existe também uma abordagem de hardware: qubits topológicos, projetados para serem menos sensíveis desde o início.

Topologia é a matemática das formas e conexões, e em um qubit topológico, a informação é distribuída pelo sistema em vez de ser armazenada em uma única partícula facilmente perturbável, — tornando os qubits naturalmente mais estáveis e difíceis de interromper.

É aqui que entra o Majorana 1. Nomeado em homenagem ao físico italiano Ettore Majorana, é o chip quântico experimental da Microsoft criado para explorar essa ideia — uma aposta de pesquisa de que a estabilidade pode ser construída no próprio hardware, em vez de depender apenas de software de correção de erros. É menos sobre resolver deslizes e mais sobre projetar o palco para que obstáculos não prejudiquem a performance desde o começo.

Há mais trabalho a ser feito, mas o objetivo é tornar grandes sistemas quânticos mais fáceis de controlar, usando proteção embutida para apoiar máquinas robustas o suficiente para enfrentar os problemas mais complexos do mundo.

Sobre a Microsoft

A Microsoft (Nasdaq “MSFT” @microsoft) cria plataformas e ferramentas alimentadas por Inteligência Artificial para fornecer soluções inovadoras que atendam às crescentes necessidades dos clientes. A empresa está empenhada em disponibilizar amplamente a IA e promover seu uso de forma responsável, com a missão de capacitar cada pessoa e cada organização no planeta a conquistar mais. No Brasil há mais de 37 anos, a Microsoft tem como objetivo promover a inovação e fortalecer a competitividade do País, apoiando o contínuo desenvolvimento do ecossistema digital.