Explorando o Universo dos Computadores Quânticos: Diferentes Abordagens de Qubits
É incomum estar no mesmo ambiente com quatro computadores quânticos distintos, cada um utilizando um tipo diferente de qubit. No entanto, em eventos como a NVIDIA GTC, essa é a realidade. Essas máquinas parecem pertencer à ficção científica: são intimidantes e complexas. O objetivo deste artigo é desmistificar como elas operam.
O elemento fundamental que confere a natureza “quântica” aos computadores é a mecânica quântica. Trata-se de uma área da física desenvolvida para explicar o comportamento das partículas em escala atômica e algumas das suas propriedades mais inusitadas.
Os computadores quânticos buscam aproveitar essas propriedades estranhas para realizar um grande volume de cálculos simultaneamente, algo que um computador tradicional faria sequencialmente, um após o outro.
O Coração da Computação Quântica: Os Qubits
No centro de cada computador quântico estão os qubits, ou bits quânticos.
Um bit de computador convencional opera em um estado binário: é estritamente zero ou um, verdadeiro ou falso. Já um qubit pode ser zero, um, ou ambos ao mesmo tempo.
Mas o que constitui fisicamente um qubit? É aqui que os diferentes designs divergem. Analisaremos quatro abordagens distintas apresentadas.
1. Qubits Baseados em Átomos Neutros (Inflection)
Neste design, os qubits são átomos neutros. São partículas sem carga elétrica que são controladas por lasers.
Ao observar a arquitetura do sistema de computação quântica, vemos que os átomos entram pela parte inferior e chegam à câmara superior. Lá, eles são colocados em vácuo e mantidos extremamente frios usando lasers. Estamos falando de temperaturas inferiores a 1 Kelvin, mais frias que o ponto mais frio do universo conhecido, a Nebulosa Boomerang.
A empresa que utiliza essa tecnologia também desenvolve outros produtos quânticos, como relógios atômicos e sensores de gravidade que, futuramente, serão enviados ao espaço.
2. Qubits Baseados em Íons (Quantinuum)
Outro sistema quântico também utiliza partículas como qubits, mas neste caso, são partículas carregadas, ou íons.
Os íons ficam confinados na câmara central e são controlados e resfriados por lasers que os cercam.
A visão superior da máquina revela um chip com um design de “pista de corrida” gravado, que é onde essas partículas quânticas permanecem. O processo envolve algumas etapas:
1. Carregamento: As partículas são introduzidas usando um laser.
2. Inicialização: Após estarem no lugar, um comando de inicialização é acionado, utilizando outro laser para prepará-las.
3. Resfriamento: Este é o próximo passo, essencial para que as propriedades quânticas possam ser acessadas.
4. Execução de Operações: É possível realizar operações de porta de dois qubits (o que representa um passo no raciocínio do computador) ou operações de porta de um único qubit.
5. Medição: Ao finalizar, o comando “medir” é acionado. Um laser final entra em ação para fornecer o resultado desejado.
3. Qubits Fotônicos (Sci Quantum)
Na Sci Quantum, os qubits utilizados são fótons.
Tudo começa com seus chips. Um pedaço desse chip é usado para gerar os fótons, que são enviados através de um cabo óptico.
Esses cabos conduzem os fótons a um dispositivo que determina quais fótons serão bons qubits e quais não serão, realizando a separação adequada.
Uma das vantagens de usar fótons é que eles não precisam ser resfriados às temperaturas extremas exigidas por outros designs de computadores quânticos.
4. Qubits Supercondutores (Regetti)
Este é talvez um dos designs mais reconhecíveis: um refrigerador de diluição com múltiplas camadas que leva a um computador quântico na base. Além de serem mantidos extremamente frios, esses computadores são protegidos por várias camadas de blindagem contra campos magnéticos, vácuo (para evitar colisões de partículas) e radiação.
Ao remover essas camadas de proteção, encontramos o processador quântico da Regetti. A grande diferença aqui é que seus qubits não são partículas naturais como nos exemplos anteriores. A Regetti emprega circuitos especialmente projetados que conseguem demonstrar propriedades quânticas para a computação.
O sistema utiliza sinais de micro-ondas para interagir com os qubits. É possível pensar nesses sinais como ondas sonoras. Quando chegam ao topo, estão muito altos e perturbariam excessivamente os qubits sensíveis na parte inferior.
À medida que esses sinais descem pela estrutura de amplificação, eles se tornam progressivamente mais silenciosos até atingirem um volume que os qubits conseguem entender e com o qual podem se comunicar. O inverso acontece com a resposta: a resposta dos qubits é muito baixa, exigindo amplificação crescente à medida que sobem pela cadeia para serem lidos no lado oposto.
Acessando a Computação Quântica na Nuvem (IQM)
É possível conectar um computador regular a um computador quântico através de interfaces desenvolvidas para alugar tempo de processamento na nuvem.
Em locais como a IQM Quantum Computers, existem interfaces que permitem alugar tempo em computadores quânticos com diferentes quantidades de qubits, variando de 16 a 54. É possível obter um *token*, usá-lo para executar tarefas no computador quântico e receber a resposta ao final do dia. Isso demonstra que as pessoas estão, de fato, acessando e utilizando computadores quânticos remotamente a partir de seus dispositivos convencionais.
Perguntas Frequentes
- O que é um qubit?
Um qubit (bit quântico) é a unidade básica de informação em um computador quântico, capaz de existir nos estados 0, 1, ou uma superposição de ambos simultaneamente. - Como os qubits de átomos neutros são controlados?
Os qubits baseados em átomos neutros são controlados por lasers, e são mantidos em temperaturas extremamente baixas, inferiores a 1 Kelvin. - Qual a principal diferença entre qubits de íons e qubits fotônicos?
Qubits de íons são partículas carregadas mantidas em armadilhas e controladas por lasers, enquanto qubits fotônicos utilizam partículas de luz (fótons) e não exigem resfriamento extremo. - Por que os computadores com qubits supercondutores requerem tanto resfriamento e blindagem?
Eles precisam de temperaturas próximas do zero absoluto e múltiplas camadas de blindagem para proteger os circuitos supercondutores sensíveis de interferências ambientais como calor, campos magnéticos e radiação. - É possível acessar computadores quânticos remotamente?
Sim, é possível acessar e utilizar computadores quânticos por meio de serviços de nuvem, utilizando interfaces que permitem o envio de tarefas e o recebimento dos resultados.
