Ao contrário dos computadores clássicos, que processam informações usando bits representados pelos estados ligado/desligado dos transistores, os computadores quânticos usam bits quânticos (ou qubits) para armazenar e manipular informações. Os qubits são regidos pelas leis da mecânica quântica, em vez da física clássica, permitindo que os processadores quânticos operem de maneiras fundamentalmente diferentes. Em um computador quântico, as informações são codificadas nos estados quânticos dos qubits, que podem existir em combinações de estados por meio do princípio da superposição. Os qubits também podem ser correlacionados entre si por meio do entrelaçamento.

Essas propriedades quânticas permitem que os computadores quânticos resolvam certos problemas que são impraticáveis ou impossíveis de serem resolvidos com eficiência pelas máquinas clássicas. Um qubit é essencialmente um sistema quântico de dois níveis com características únicas e poderosas que formam a base do processamento de informações quânticas. Os qubits podem ser implementados fisicamente usando uma variedade de plataformas quânticas, incluindo circuitos supercondutores, íons aprisionados, átomos neutros, fotônica integrada e sistemas de spin baseados em silício, cada um oferecendo diferentes vantagens para a construção de processadores quânticos escaláveis.

Nos computadores clássicos, as informações são armazenadas e processadas em binário, o que significa que bits individuais só podem representar dois valores: “0” ou “1”. Ao contrário do bit clássico, em que as informações são representadas pelos estados “ligado” ou “desligado” de um transistor, um qubit não se limita a estar apenas nos estados “0” ou “1”. Na verdade, ele pode estar nos dois estados ao mesmo tempo. Esse fenômeno é um conceito fundamental da física quântica, conhecido como superposição. Matematicamente, podemos representar o estado do qubit (independente de uma implementação física específica) como um ponto em uma esfera unitária, conhecida como esfera de Bloch, onde o estado fundamental 0 é encontrado no “polo norte” e o estado excitado 1 no “polo sul”. Esse estado de superposição também pode se estender por todo um registro de qubits em um fenômeno conhecido como entrelaçamento, que é o elemento necessário para dar à unidade processadora quântica (QPU) sua vantagem computacional sobre suas contrapartes clássicas. O número de estados quânticos que uma QPU pode representar é escalonado como 2N.

O desempenho aprimorado dos computadores quânticos em comparação com os clássicos se traduz em aplicações em vários setores, incluindo: criptografia e segurança cibernética, descoberta de medicamentos e ciência e design de materiais, otimização da cadeia de suprimentos, inteligência artificial e aprendizado de máquina, modelagem climática e energia, química e física computacional e serviços financeiros.

Para muitos casos de uso prático, as unidades de processamento quântico (QPUs) podem ser vistas como aceleradores de simulação especializados. Em vez de substituir os computadores clássicos, elas provavelmente serão integradas aos fluxos de trabalho existentes para executar etapas específicas que são classicamente intratáveis, como simular sistemas quânticos complexos ou explorar vastos espaços de solução. Essa abordagem híbrida permite que os sistemas quânticos e clássicos trabalhem juntos, maximizando os pontos fortes de cada um.

Os erros de computação convencionais ocorrem normalmente porque um ou mais bits mudam inesperadamente. Foram desenvolvidas estratégias de correção de erros para corrigir essas mudanças de bits e retornar o sistema ao estado esperado. Atualmente, a correção de erros de computação clássica é geralmente desnecessária e é usada quando uma falha seria catastrófica e/ou quando o computador estiver em um ambiente mais propenso a introduzir erros, como em missões espaciais.

A perda de coerência quântica, conhecida como decoerência, resulta do colapso das superposições quânticas em estados clássicos quando são medidas. Isso acontece independentemente de se tratar de uma medição intencional por parte de um observador ou causada por ruído do ambiente. O sistema quântico não consegue distinguir a diferença. Devido à presença da decoerência, os engenheiros quânticos que constroem um computador quântico precisam abordar o seguinte:

1. O registro qubit precisa ser isolado eletromagneticamente e termicamente do seu ambiente, evitando trocas espúrias de energia.
2. As operações qubit (ou seja, portas de um e dois qubits) precisam ser rápidas em comparação com o tempo de decoerência.
3. As medições de qubits (leitura) precisam ser rápidas e não devem alterar o estado quântico (não destruição).

Medir o tempo de coerência do qubit é, portanto, um dos pilares de qualquer laboratório quântico. Isso fornece informações importantes sobre a qualidade do próprio qubit e sua blindagem, como ele é operado usando portas quânticas, bem como as características da leitura do qubit.

As propriedades únicas de superposição e entrelaçamento permitem um desempenho antes inimaginável em aplicações quânticas, como computação, comunicação e detecção. A superposição surge da natureza probabilística da mecânica quântica e persiste enquanto o sistema não for observado ou medido. Quando ocorre uma medição, o estado quântico colapsa em um único resultado definido. Esse comportamento pode ser visualizado usando a esfera de Bloch, onde o estado de um qubit corresponde a um ponto na superfície de uma esfera unitária. Para qubits supercondutores, as medições são normalmente realizadas ao longo do eixo z que conecta os pólos norte e sul. Um estado em qualquer um dos pólos produz um resultado definido (0 ou 1), enquanto um estado no equador resulta em probabilidades iguais de medir qualquer um dos valores.

O entrelaçamento amplifica ainda mais essas capacidades, estabelecendo fortes correlações entre os qubits, de modo que o estado de cada qubit não pode ser descrito independentemente dos outros. Essa interconectividade permite que as operações quânticas atuem em muitos qubits simultaneamente de maneira altamente coordenada, produzindo efeitos de interferência que melhoram os resultados corretos e suprimem os incorretos. O poder computacional de uma unidade de processamento quântico (QPU) surge desse comportamento coletivo: um registro de N qubits entrelaçados é descrito por 2ᴺ coeficientes, permitindo que o sistema represente e manipule um espaço exponencialmente grande de possibilidades de uma só vez. Consequentemente, os algoritmos quânticos podem explorar muitas soluções potenciais em paralelo, oferecendo ganhos dramáticos de eficiência em relação às abordagens clássicas para certas classes de problemas.

Várias grandes empresas de tecnologia já demonstraram a vantagem quântica: a capacidade dos computadores quânticos de resolver problemas que seriam praticamente impossíveis para os supercomputadores clássicos. Os algoritmos quânticos reduzem drasticamente o tempo de processamento necessário para executar simulações complexas de Monte Carlo e permitem avaliações de risco altamente sofisticadas que podem levar em consideração variáveis anteriormente incontroláveis.

Embora a computação quântica de uso geral ainda esteja no horizonte, processadores quânticos especializados já estão lidando com problemas de otimização para aplicações comercialmente relevantes que afetam diretamente as operações comerciais. Estima-se que levará pelo menos cinco anos para estabelecer a vantagem quântica como um diferencial competitivo sustentável por meio de abordagens proprietárias.

A comunicação quântica é um método de transmissão de informações que utiliza os princípios da mecânica quântica, permitindo a transmissão segura de informações. A comunicação quântica pode ser alcançada através de vários métodos, incluindo distribuição de chaves quânticas (QKD), teletransporte quântico e entrelaçamento quântico. Qualquer tentativa de interceptar ou espionar a transmissão causaria o colapso do estado quântico, alertando tanto o remetente quanto o destinatário sobre a violação da segurança.