Um físico explica os conceitos básicos por trás do que significa ser "quântico" e seu impacto no futuro da computação

Imagine acender uma lanterna em um quarto escuro. Você pode prever exatamente o que a luz fará: percorrer uma linha reta de um lado ao outro do quarto. Isso parece óbvio, pois, no mundo que vemos ao nosso redor, a luz parece seguir um único caminho bem definido.

A mecânica quântica, no entanto, pinta um quadro muito mais estranho.

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Se você ampliar tudo até a escala atômica, a luz não se comporta como se seguisse apenas uma linha reta. Em vez disso, um fóton de luz explora todos os caminhos disponíveis ao mesmo tempo. Um caminho pode, de fato, ser a linha reta que atravessa o quarto. Mas outros podem envolver a luz ricocheteando nas paredes, curvando-se pelo espaço ou tomando trajetórias extremamente improváveis antes de chegar ao seu destino.

De certa forma, a natureza mantém todas essas possibilidades "ativas" simultaneamente. Um resultado só surge depois que a luz é "observada", ou quando uma medição é realizada. O caminho que você observa - geralmente a linha reta - é simplesmente o resultado mais provável depois que todos os caminhos possíveis interagem, tornando alguns resultados mais prováveis e outros menos prováveis.

Essa ideia parece quase impossível da perspectiva da vida cotidiana, mas está no cerne da mecânica quântica. Hoje, cientistas como eu estão aprendendo a aproveitar esses estranhos efeitos quânticos para construir um tipo de máquina totalmente novo: o computador quântico.

Superposição

Na vida cotidiana, a física é simples. Uma bola de tênis está em cima da mesa ou não está. Uma luz está acesa ou apagada. Mesmo que você esteja em outro cômodo e não saiba qual das duas situações é a verdadeira, o próprio objeto já tem um estado definido.

A mecânica quântica não segue essas regras comuns. De acordo com as leis da mecânica quântica, os resultados não são fixos até que alguém os observe.

Em escalas muito pequenas, as partículas não têm estados definidos. Em vez de serem uma coisa ou outra, elas existem em um estado ainda não definido. Isso não ocorre porque faltam informações, mas porque a própria realidade ainda não se estabilizou.

Elétrons, fótons e átomos podem estar em uma superposição: um estado que combina vários estados possíveis. A partícula pode estar aqui, ali ou em algum lugar entre os dois. O gato de Schrödinger é um exemplo famoso: um gato dentro de uma caixa fechada, conectado a um dispositivo quântico, está ao mesmo tempo vivo e morto até que alguém verifique.

Por mais estranho que pareça, a superposição quântica já foi confirmada repetidamente em experimentos de laboratório. Mas esses estados quânticos são extremamente frágeis. Interações com o mundo externo — como calor, vibrações, campos eletromagnéticos dispersos ou até um contato acidental com partículas ao redor — podem destruir a delicada superposição, forçando o sistema a assumir um único estado.

Os físicos chamam esse processo de decoerência. Um sistema quântico se comporta de certa forma como uma moeda girando no ar. Enquanto a moeda ainda está girando, ela não está definida como cara ou coroa da nossa perspectiva; ambos os resultados permanecem possíveis. Na mecânica quântica, as partículas podem existir em um tipo semelhante de mistura, uma superposição, na qual vários estados possíveis coexistem ao mesmo tempo.

Só quando uma medição é realizada é que o sistema "escolhe" um resultado definitivo, da mesma forma que a moeda giratória finalmente cai em cara ou coroa.

Os físicos se referem a esse processo como colapso, mas os cientistas ainda não resolveram o enigma fundamental que está por trás desse fenômeno. Imagine ouvir música por streaming. Os dados permanecem em sua forma original até você iniciar o serviço de streaming, que pode reproduzir qualquer música. Ao clicar em "play", esse potencial se transforma em uma música real. A medição de partículas quânticas produz um efeito semelhante, forçando todos os resultados possíveis a colapsarem em um único resultado real.

Ações misteriosas à distância

A superposição não é a única característica estranha da mecânica quântica. Outra é o entrelaçamento, ou emaranhamento, quântico: um fenômeno que ocorre quando duas partículas interagem de tal forma que suas propriedades ficam profundamente ligadas, mesmo quando separadas por grandes distâncias.

Quando duas partículas interagem de uma determinada maneira, elas podem ficar entrelaçadas. Isso significa que medir uma delas revela instantaneamente algo sobre a outra, não importa a distância que as separe. Einstein não gostava dessa ideia e a chamou de "ação fantasmagóricas à distância". Ele achava que faltava algo na teoria quântica. Mas, após muitos experimentos, os cientistas demonstraram que o emaranhamento quântico é real.

Uma boa maneira de visualizar isso é pensar em dois dançarinos. Depois de muito treino, eles conseguem sincronizar seus movimentos em palcos diferentes sem precisar falar. Sua sincronia perfeita vem da coreografia que aprenderam juntos.

Do estranho a um novo tipo de computador

Então, o que tudo isso significa para o futuro dos computadores?

Um computador comum, como o na sua mesa, usa bits. Cada bit é zero ou um, como um interruptor de luz. Todas as suas fotos, vídeos e mensagens são apenas longas sequências desses interruptores. Mas um computador quântico usa os chamados qubits. Por causa da superposição, um qubit pode ser zero, um ou uma mistura dos dois ao mesmo tempo. Dois qubits podem codificar quatro possibilidades ao mesmo tempo; 10 qubits podem codificar 1.024; e 300 qubits podem representar mais estados do que o número de átomos no Universo.

Os computadores quânticos têm como objetivo realizar certos cálculos muito mais rápido do que os computadores clássicos, mas os sistemas atuais ainda enfrentam grandes limitações em termos de velocidade, estabilidade e capacidade computacional.

Um computador convencional funciona como um corredor que precisa percorrer cada caminho de um labirinto, verificando sequencialmente todas as rotas. Os estados quânticos evoluem de forma que caminhos computacionais úteis se reforcem mutuamente, guiando o sistema em direção ao resultado correto.

Os computadores quânticos não são práticos para operações de e-mail, gerenciamento de planilhas e streaming de conteúdo; os computadores clássicos existentes são bons o suficiente para essas tarefas. O verdadeiro potencial dos computadores quânticos reside na resolução de problemas complexos demais até para os computadores clássicos mais potentes do mundo.

Essas tarefas incluem simular como moléculas interagem para ajudar cientistas a desenvolver novos medicamentos, descobrir materiais que possam aprimorar tecnologias como painéis solares e baterias, e promover avanços em áreas como a criptografia.

As fechaduras da internet e suas chaves

Quase todas as informações privadas enviadas online — logins bancários, prontuários médicos, mensagens pessoais — são protegidas pela criptografia Rivest-Shamir-Adleman, ou RSA, um dos métodos mais amplamente utilizados para proteger a comunicação digital. A RSA baseia-se na multiplicação de dois grandes números primos. Ela é segura porque, embora seja fácil multiplicá-los, seria muito difícil partir do resultado e trabalhar de trás para frente para determinar quais números primos foram usados para chegar nele. Um computador comum levaria bilhões de anos para quebrar uma chave RSA forte por meio de tentativas aleatórias.

Em 1994, no entanto, o matemático Peter Shor demonstrou que um computador quântico suficientemente potente poderia resolver esse problema em apenas algumas horas. Os computadores quânticos atuais ainda não são grandes o suficiente para isso, mas o rápido progresso significa que podemos ver isso acontecer nos próximos 10 a 20 anos.

Devido a esse avanço, especialistas em segurança alertaram sobre uma abordagem do tipo "colete agora, descriptografe depois". Hackers já estão coletando e acumulando dados criptografados na esperança de que os futuros computadores quânticos permitam desbloqueá-los. Por exemplo, prontuários médicos de 2026 podem estar em risco em 2040.

Mas a mecânica quântica não só ameaça os sistemas de segurança atuais - ela também possibilita novas formas de proteção. A distribuição de chaves quânticas poderia aproveitar as propriedades delicadas dos estados quânticos para detectar invasores.

Se alguém tentar interceptar uma mensagem quântica, isso alteraria o sistema e deixaria sinais claros de adulteração.

Pesquisadores chineses demonstraram a distribuição de chaves quânticas via satélites em 2017, e governos em todo o mundo estão agora trabalhando em redes quânticas seguras.

Mas esses avanços também trazem questões éticas. As mesmas ferramentas quânticas que podem ajudar cientistas a compreender proteínas também poderiam ser usadas para espionar mensagens privadas. Os primeiros países e empresas a construir computadores quânticos capazes de superar os computadores clássicos terão um poder significativo sobre os demais.

Essa mudança pode se tornar tão importante quanto a invenção da escrita ou o desenvolvimento da tecnologia nuclear. A tecnologia em si não é boa nem ruim — o que importa é como as pessoas a utilizam.

Onde realmente estamos

Em 2019, o Google afirmou que seu processador Sycamore realizou um determinado cálculo em 200 segundos. A equipe estimou que um supercomputador comum levaria 10.000 anos para realizar a mesma tarefa. Algumas pessoas questionaram a afirmação, e o cálculo não foi muito útil, mas ainda assim foi um grande passo - um exemplo real de "benefício quântico".

Atualmente, a IBM, o Google e a IonQ, assim como muitas universidades, estão trabalhando para construir computadores quânticos maiores e mais confiáveis. O principal problema é que os qubits são extremamente frágeis. Mesmo coisas minúsculas, como vibrações, luz difusa ou pequenas variações de temperatura, podem alterar seu estado. A maioria dos computadores quânticos precisa ser resfriada a temperaturas ainda mais baixas do que as do espaço sideral.

Os computadores quânticos provavelmente não substituirão seu computador de mesa nem agilizarão suas tarefas diárias no computador. Mas eles fazem parte de uma revolução tecnológica que pode aprimorar a medicina, a ciência de materiais e a segurança cibernética. Esse impacto provavelmente ocorrerá gradualmente: no curto prazo, os computadores quânticos continuarão sendo ferramentas especializadas de pesquisa, mas, nas próximas uma ou duas décadas, poderão começar a desempenhar um papel prático em diferentes áreas.

Aldo Romero não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.