Quando cientistas e engenheiros encontram problemas difíceis, eles recorrem a supercomputadores. São computadores clássicos muito grandes, geralmente com milhares de núcleos clássicos de CPU e GPU capazes de executar cálculos muito grandes e inteligência artificial avançada. No entanto, até mesmo os supercomputadores são máquinas baseadas em código binário que dependem da tecnologia de transístores do século XX. Eles lutam para resolver certos tipos de problemas.

Se um supercomputador fica perplexo, provavelmente é porque a grande máquina clássica foi solicitada a resolver um problema com um alto grau de complexidade. Quando os computadores clássicos falham, geralmente é devido à complexidade.

Problemas complexos são problemas com muitas variáveis que interagem de maneiras complicadas. A modelagem do comportamento de átomos individuais em uma molécula é um problema complexo, devido a todos os diferentes elétrons que interagem entre si. A identificação de padrões sutis de fraude em transações financeiras ou de nova física em um supercolisor também são problemas complexos. Há alguns problemas complexos que não sabemos como resolver com computadores clássicos em qualquer escala.

O mundo real funciona com base na física quântica. Computadores que fazem cálculos usando os estados quânticos de bits quânticos devem, em muitas situações, ser nossas melhores ferramentas para entendê-los.

Vejamos um exemplo que mostra como os computadores quânticos podem ter sucesso onde os computadores clássicos falham:

Um computador clássico pode ser excelente em tarefas difíceis, como classificar um grande banco de dados de moléculas. Mas ele tem dificuldades para resolver problemas mais complexos, como simular o comportamento dessas moléculas.

Atualmente, se os cientistas quiserem saber como uma molécula se comportará, deverão sintetizá-la e fazer experimentos com ela no mundo real. Se eles quiserem saber como um pequeno ajuste afetaria seu comportamento, geralmente precisam sintetizar a nova versão e executar o experimento novamente. Esse é um processo caro e demorado que impede o progresso em campos tão diversos quanto a medicina e o design de semicondutores.

Um supercomputador clássico pode tentar simular o comportamento molecular com força bruta, usando seus muitos processadores para explorar todas as maneiras possíveis de se comportar de cada parte da molécula. Mas à medida que passa pelas moléculas mais simples e diretas disponíveis, o supercomputador para. Nenhum computador tem memória de trabalho para lidar com todas as permutações possíveis do comportamento molecular usando qualquer método conhecido.

Os algoritmos quânticos adotam uma nova abordagem para esses tipos de problemas complexos, criando espaços computacionais multidimensionais. Isso acaba sendo uma maneira muito mais eficiente de resolver problemas complexos, como simulações químicas.

Não temos uma boa maneira de criar esses espaços computacionais com computadores clássicos, o que limita sua utilidade sem a computação quânticas. Os químicos industriais já estão explorando maneiras de integrar métodos quânticos em seu trabalho. Este é apenas um exemplo. Empresas de engenharia, instituições financeiras, empresas globais de transporte marítimo, entre outras, estão explorando casos de uso em que os computadores quânticos poderiam resolver problemas importantes em seus campos. Uma explosão de benefícios da pesquisa e do desenvolvimento quânticos está tomando forma no horizonte. À medida que o hardware quântico aumenta de escala e os algoritmos quânticos avançam, muitos problemas grandes e importantes, como a simulação molecular, devem encontrar soluções.

Um processador IBM Quantum é uma pastilha não muito maior do que a encontrada em um notebook. E um sistema de hardware quântico tem aproximadamente o tamanho de um carro, composto principalmente por sistemas de resfriamento para manter o processador supercondutor em sua temperatura operacional ultrafria.

Um processador clássico usa bits clássicos para executar suas operações. Um computador quântico usa qubits (bits CUE) para executar algoritmos quânticos multidimensionais.

Supercondutores

Seu computador desktop provavelmente usa um ventilador para esfriar o suficiente para funcionar. Nossos processadores quânticos precisam estar muito frios – cerca de um centésimo de grau acima do zero absoluto – para evitar a “decoerência” ou manter seus estados quânticos. Para conseguir isso, usamos superfluidos super-resfriados. Nessas temperaturas ultrabaixas, certos materiais exibem um importante efeito da mecânica quântica: os elétrons se movem através deles sem resistência. Isso os torna “supercondutores”.  

Quando os elétrons passam por supercondutores, eles se combinam, formando "pares de Cooper". Esses pares podem carregar uma carga através de barreiras, ou isolantes, por meio de um processo conhecido como tunelamento quântico. Dois supercondutores colocados em cada lado de um isolante formam uma junção Josephson.

Controle

Nossos computadores quânticos usam junções Josephson como qubits supercondutores. Ao disparar fótons de micro-ondas nesses qubits, podemos controlar seu comportamento e fazê-los reter, alterar e ler unidades individuais de informação quântica.

Superposição

Um qubit em si não é muito útil. Mas ele pode realizar um truque importante: colocar as informações quânticas que contêm em um estado de superposição, que representa uma combinação de todas as configurações possíveis do qubit. Grupos de qubits em superposição podem criar espaços computacionais complexos e multidimensionais. Problemas complexos podem ser representados de novas maneiras nesses espaços.

Emaranhamento

O entrelaçamento quântico é um efeito que correlaciona o comportamento de duas coisas distintas. Os físicos descobriram que, quando dois qubits estão emaranhados, as mudanças em um qubit impactam diretamente o outro.

Interferência

Em um ambiente de qubits emaranhados colocados em um estado de superposição, existem ondas de probabilidades. Essas são as probabilidades dos resultados de uma medição do sistema. Essas ondas podem se acumular umas sobre as outras quando muitas delas atingem o pico em um determinado resultado, ou se anulam quando os altos e baixos interagem. Ambas são formas de interferência.

Uma computação em um computador quântico funciona preparando uma superposição de todos os estados computacionais possíveis. Um circuito quântico, preparado pelo usuário, usa interferência seletivamente nos componentes da superposição de acordo com um algoritmo. Muitos resultados possíveis são cancelados por meio de interferência, enquanto outros são amplificados. Os resultados amplificados são as soluções para o cálculo.

Os computadores quânticos da IBM são programados usando o Qiskit, nosso SDK quântico baseado em python de código aberto. O Qiskit possui módulos que abrangem aplicações em finanças, química, otimização e aprendizado de máquina.

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O Qiskit Runtime fornece um ambiente de execução para unir circuitos quânticos com processamento clássico, acelerando nativamente a execução de determinados programas quânticos. Isso significa iteração mais rápida, latência reduzida e tempo de computação mais desinibido nos principais sistemas quânticos do mundo: o modelo de execução baseado em nuvem do Qiskit Runtime demonstrou uma aceleração de 120 vezes na simulação do comportamento molecular.