Tecnologia de informação quântica

A tecnologia de informação quântica (QIT) é um campo que avança rapidamente e que aproveita a mecânica quântica para manipular informações de maneiras inovadoras, levando a grandes melhorias em relação às tecnologias clássicas. A QIT explora fenômenos quânticos como a superposição e o entrelaçamento quântico para superar os desafios de armazenamento, processamento, transmissão e segurança de informações. O campo da QIT abrange um espectro de aplicações que aproveitam os sistemas quânticos, inclusive a computação quântica, o sensoriamento quântico e as comunicações quânticas.

Estamos à beira de uma revolução na tecnologia da informação (TI) possibilitada pela mecânica quântica. Para alcançá-la, será necessária uma pesquisa colaborativa para enfrentar os desafios inerentes à tentativa de controlar as propriedades do reino quântico. Cada avanço aprofunda a compreensão das propriedades quânticas e leva a novas arquiteturas e inovações que nos aproximam da supremacia quântica e de aplicações comercialmente viáveis.

Qubits

Os bits quânticos, ou qubits, são os blocos de construção do QIT. Eles são as unidades mais fundamentais da informação quântica. Os bits de dados clássicos existem em dois estados, escritos como 0 e 1. Embora possam assumir muitas formas e executar uma vasta gama de funções, um bit sempre deve estar em um estado 0 ou 1.

Se você imaginar uma esfera, a superfície representa todos os estados possíveis de um qubit. Os bits clássicos são como pontos localizados apenas nos polos da esfera, fixados no estado 0 ou 1. Os qubits podem ocupar qualquer ponto ao longo da superfície da esfera, representando um número infinito de estados possíveis. Essa liberdade permite que os qubits codifiquem e processem exponencialmente mais informações do que os bits clássicos.

Os Qubits fazem isso por meio de superposição e emaranhamento. A superposição fornece sua extraordinária flexibilidade e potência. O entrelaçamento permite que os qubits se tornem correlacionados de tal forma que o estado de um qubit influencia instantaneamente o outro, independentemente da distância entre eles. Essas propriedades exclusivas rompem as restrições dos bits clássicos e permitem que os qubits existam em um espaço de estado rico e complexo. Eles podem codificar e processar informações quânticas de maneiras que prometem avanços significativos em computação, comunicação e criptografia.

Superposição

Voltando à analogia da esfera, a superposição permite que os qubits transportem informações entre os estados 0 e 1 ao mesmo tempo. Na física clássica, os objetos têm propriedades definitivas em um determinado momento. Na física quântica, no entanto, partículas como elétrons, fótons e átomos podem existir em uma combinação de estados simultaneamente, conhecida como superposição.

O gato de Schrödinger é um experimento mental bem conhecido que descreve como a superposição quântica de núcleos radioativos decaídos e não decaídos pode influenciar a superposição em um nível macroscópico. Nesse cenário macabro, um cientista coloca um gato em uma caixa com um mecanismo radioativo que controla um frasco de veneno. O momento da liberação do veneno é desconhecido; assim, o gato ocupa um estado de vida e morte até abrirmos a caixa e observarmos seu destino.

A mecânica quântica não pode prever o destino do gato de Schrodinger. Em vez disso, ela nos fornece a probabilidade do estado em que encontraremos o gato quando abrirmos a caixa em um grande conjunto de experimentos idênticos.

A superposição é o que permite que os bits quânticos (qubits) executem funções altamente complexas ao representar vários estados simultaneamente. Voltando à analogia da esfera, os estados de superposição têm amplitudes e permitem que os qubits transportem informações entre os estados 0 e 1 ao mesmo tempo. À medida que o número de qubits aumenta, o número de amplitudes de probabilidade disponíveis aumenta exponencialmente. É essa propriedade que dá à tecnologia quântica a probabilidade de acelerar drasticamente a velocidade das tarefas de computação em relação às suas contrapartes clássicas.

Emaranhamento quântico

O entrelaçamento é a chave para o aproveitamento do processamento de informações quânticas. O entrelaçamento quântico ocorre quando os estados de duas ou mais partículas se correlacionam de tal forma que o estado de uma partícula influencia instantaneamente o estado de outra, independentemente da distância entre elas.

Essa correlação persiste quando as partículas emaranhadas se separam, mesmo a longas distâncias. Sem o entrelaçamento, cada qubit existe independentemente na esfera, em seu próprio mundo com seus próprios estados possíveis. No entanto, quando os qubits são emaranhados, suas posições tornam-se intrinsecamente ligadas, permitindo que eles explorem uma gama mais ampla de estados do que poderiam individualmente.

Os movimentos de coordenadas dos qubits emaranhados na superfície da esfera maximizam a flexibilidade possibilitada pela superposição. Se você realizar uma medição em um qubit emaranhado e colapsá-lo em um estado específico, o estado do outro qubit também será determinado instantaneamente, independentemente de onde ele estiver na esfera. O entrelaçamento permite que os qubits aproveitem sua natureza quântica coletiva para liberar o potencial de computação altamente eficiente, comunicação segura e novos protocolos criptográficos.

Esse gráfico mostra os dois observadores, Alice e Bob, compartilhando um estado emaranhado.

Decoerência quântica

Embora as propriedades explicadas anteriormente permitam que os qubits tenham muito mais capacidade de computação do que os bits clássicos, um grande desafio para os computadores quânticos é um fenômeno chamado decoerência quântica.

A decoerência quântica ocorre quando um sistema interage com elementos do ambiente, como o ar, a radiação térmica ou um aparelho de medição sem demolição. Para entender a decoerência, você deve primeiro entender a coerência quântica. Em sua forma mais simples, a coerência refere-se à medida da relação entre diferentes estados possíveis dentro do sistema quântico. Essas informações são necessárias para o funcionamento do computador quântico. O isolamento mantém a coerência.

A decoerência quântica ocorre quando o sistema interage com seu ambiente interno e externo. Quando isso acontece, as informações do sistema e as informações do ambiente se misturam, dificultando a distinção entre os sinais do sistema quântico e o ruído ambiental. Os estados dos qubits são instáveis, e diferentes fatores ambientais podem afetar o estado de um qubit de forma desconhecida, semelhante ao ruído em medições científicas. Um fóton perdido ou uma flutuação na temperatura pode causar uma mudança de energia no qubit. Como resultado, o estado se aproxima do colapso.

Interferência quântica

Além da influência de fatores ambientais, os qubits em um sistema emaranhado podem afetar o estado de outros qubits. A interferência quântica ocorre quando as amplitudes de probabilidade de diferentes estados que um qubit pode assumir interferem umas nas outras, causando efeitos de interferência construtivos ou destrutivos. Cada trajetória corresponde a uma sequência diferente de operações aplicadas ao qubit.

A interferência construtiva ocorre quando as amplitudes de probabilidade das trajetórias se alinham e se reforçam mutuamente, aumentando a probabilidade de encontrar um qubit em determinados estados. A interferência destrutiva ocorre quando as amplitudes de probabilidade das trajetórias se cancelam mutuamente, reduzindo a probabilidade de encontrar o qubit em determinados estados.

A interferência quântica desempenha um papel fundamental no processamento de informações quânticas. Ao manipular os estados quânticos dos qubits e controlar os efeitos de interferência, os algoritmos quânticos podem explorar a interferência para aumentar a eficiência computacional e resolver problemas considerados intratáveis para sistemas clássicos.

Correção de erros quânticos

Para combater a decoerência quântica e o ruído no sistema, os computadores quânticos usam o emaranhamento e a interferência para ajudar a corrigir erros. É mais fácil trabalhar com a correção de erros clássica. Um bit pode ser apenas 0 ou 1, e um erro pode ser apenas uma inversão de bit. Para combater isso, os computadores clássicos codificam seus bits de forma redundante. Em vez de usar 1 bit para representar 0 ou 1, eles usam vários, como 000 ou 111. Um erro pode se parecer com 010, em que podemos presumir que isso significa 0, e o bit do meio apenas teve um erro. Isso também funciona porque as inversões de bits em bits clássicos são raras.

Os Qubits são diferentes. Embora seu estado possa se desviar das expectativas, não podemos observar a mudança devido ao colapso da medição que resultaria das observações. A maneira como trabalhamos com isso é semelhante aos bits clássicos, pois codificamos os qubits de forma redundante, mas os colocamos em um estado emaranhado com outros qubits auxiliares. No estado emaranhado, o estado de cada qubit se conecta aos estados dos outros qubits. Dessa forma, podemos extrair informações de um qubit auxiliar e inferir a mudança de estado no qubit computacional e, assim, corrigi-lo.