História da computação quântica: 12 momentos-chave que moldaram o futuro dos computadores
Computadores que exploram as estranhas regras do mecânica quântica poderá em breve resolver problemas que são insolúveis com a tecnologia existente. As máquinas de hoje ainda estão longe de conseguir isso, mas o campo da computação quântica fez progressos dramáticos desde a sua criação.
A computação quântica passou de uma curiosidade acadêmica a uma indústria multibilionária em menos de meio século e não mostra sinais de parar. Aqui estão 12 dos marcos mais importantes dessa jornada.
1980: Nasce o computador quântico
Na década de 1970, os cientistas começaram a pensar em potenciais cruzamentos entre os novos campos da mecânica quântica e da teoria da informação. Mas foi o físico americano Paulo Benioff que cristalizou muitas dessas ideias quando publicou o primeiro descrição de um computador quântico. Ele propôs uma versão quântica de uma “máquina de Turing” – um modelo teórico de computador, desenvolvido pelo renomado cientista da computação britânico Alan Turing, que é capaz de implementar qualquer algoritmo. Ao mostrar que tal dispositivo poderia ser descrito usando as equações da mecânica quântica, Benioff lançou as bases para o novo campo da computação quântica.
1981: Richard Feynman populariza a computação quântica
Benioff e o lendário físico Richard Feynman deu palestras sobre computação quântica no primeiro Conferência de Física da Computação em 1981. Feynman discurso principal foi sobre o tema do uso de computadores para simular a física. Ele ressaltou que, como o mundo físico é de natureza quântica, simulá-lo com exatidão requer computadores que operem de forma semelhante com base nas regras da mecânica quântica. Ele introduziu o conceito de “simulador quântico”, que não pode implementar nenhum programa como uma máquina de Turing, mas pode ser usado para simular fenômenos da mecânica quântica. A palestra é frequentemente creditada por despertar o interesse na computação quântica como disciplina.
1985: O “computador quântico universal”
Um dos conceitos fundamentais da ciência da computação é a ideia da máquina de Turing universal. Introduzido pelo seu homônimo em 1936, este é um tipo particular de máquina de Turing que pode simular o comportamento de qualquer outra máquina de Turing, permitindo-lhe resolver qualquer problema que seja computável. No entanto, David Deutschprofessor de teoria quântica da computação, apontou em um artigo de 1985 que, como o computador universal descrito por Turing se baseava na física clássica, seria incapaz de simular um computador quântico. Ele reformulou o trabalho de Turing usando a mecânica quântica para desenvolver um “computador quântico universal”, capaz de simular qualquer processo físico.
1994: Primeiro caso de uso matador para computadores quânticos
Apesar da promessa teórica dos computadores quânticos, os investigadores ainda não tinham encontrado aplicações práticas claras para a tecnologia. Matemático americano Peter Shor tornou-se o primeiro a fazer isso quando introduziu um algoritmo quântico que poderia fatorar números grandes com eficiência. Fatoração é o processo de encontrar o menor conjunto de números que pode ser combinado para criar um maior. Este processo torna-se cada vez mais difícil para números maiores e é a base para muitos principais esquemas de criptografia. No entanto, o algoritmo de Shor pode resolver esses problemas exponencialmente mais rápido do que os computadores clássicos, aumentando o temor de que os computadores quânticos possam ser usados para quebrar a criptografia moderna e estimulando o desenvolvimento da criptografia pós-quântica.
1996: A computação quântica assume a pesquisa
Não demorou muito para que outro aplicativo promissor aparecesse. Cientista da computação do Bell Labs Amor Grover proposto um algoritmo quântico para busca não estruturada, que se refere à busca de informações em bancos de dados sem sistema de organização óbvio. Isso é como procurar a proverbial agulha em um palheiro e é um problema comum na ciência da computação, mas mesmo os melhores algoritmos de busca clássicos podem ser lentos quando confrontados com grandes quantidades de dados. O algoritmo de Grover, como ficou conhecido, explora o fenômeno quântico da superposição para acelerar dramaticamente o processo de busca.
1998: Primeira demonstração de um algoritmo quântico
Sonhar com algoritmos quânticos em um quadro negro é uma coisa, mas implementá-los em hardware provou ser muito mais difícil. Em 1998, uma equipe liderada pelo pesquisador da IBM Isaac Chuang fizeram uma descoberta quando mostrou que eles poderiam executar o algoritmo de Grover em um computador com dois qubits – o equivalente quântico dos bits. Apenas três anos depois, Chuang também liderou o primeira implementação do algoritmo de Shor em hardware quântico, fatorando o número 15 usando um processador de sete qubits.
1999: O nascimento do computador quântico supercondutor
Os blocos de construção fundamentais de um computador quântico, conhecidos como qubitspode ser implementado em uma ampla gama de sistemas físicos diferentes. Mas em 1999, os físicos da empresa japonesa de tecnologia NEC encontraram uma abordagem que se tornaria a abordagem mais popular para a computação quântica atualmente. Em um papel na naturezaeles mostraram que poderiam usar circuitos supercondutores para criar qubits e que poderiam controlar esses qubits eletronicamente. Qubits supercondutores são agora usados por muitas das principais empresas de computação quântica, incluindo Google e IBM.
2011: Lançado o primeiro computador quântico comercial
Apesar do progresso considerável, a computação quântica ainda era principalmente uma disciplina acadêmica. O lançar do primeiro computador quântico disponível comercialmente pela empresa canadense D-Wave em maio de 2011 marcou o início da indústria de computação quântica. O D-Wave One da start-up apresentava 128 qubits supercondutores e custou cerca de US$ 10 milhões. No entanto, o dispositivo não era um computador quântico universal. Ele usou uma abordagem conhecida como recozimento quântico para resolver um tipo específico de problema de otimização, e havia poucas evidências de que proporcionasse qualquer aumento de velocidade em comparação com as abordagens clássicas.
2016: IBM disponibiliza computador quântico na nuvem
Embora várias grandes empresas de tecnologia desenvolvessem internamente computadores quânticos universais, a maioria dos acadêmicos e aspirantes a desenvolvedores quânticos não tinha como experimentar a tecnologia. Em maio de 2016, a IBM fabricou seu processador de cinco qubits disponível na nuvem pela primeira vez, permitindo que pessoas de fora da empresa executem trabalhos de computação quântica em seu hardware. Em duas semanas, mais de 17 mil pessoas se inscreveram no serviço IBM Quantum Experience da empresa, proporcionando a muitas delas a primeira experiência prática com um computador quântico.
2019: Google reivindica “supremacia quântica”
Apesar das promessas teóricas de “aceleração” massiva, ninguém ainda havia demonstrado que um processador quântico pudesse resolver um problema mais rapidamente do que um computador clássico. Mas em setembro de 2019, surgiram novidades que o Google usou 53 qubits para realizar um cálculo em 200 segundos que alegou que levaria um supercomputador cerca de 10.000 anos para ser concluído. O problema em questão não tinha utilidade prática: o processador do Google simplesmente realizava operações aleatórias e então os pesquisadores calcularam quanto tempo levaria para simular isso em um computador clássico. Mas o resultado foi aclamado como o primeiro exemplo de “supremacia quântica”, agora mais comumente referida como “vantagem quântica”.
2022: Um algoritmo clássico frustra a reivindicação de supremacia
A alegação de supremacia quântica do Google foi recebida com ceticismo por parte de alguns setores, em particular da arquirrival IBM, que afirmou que a aceleração foi exagerada. Um grupo da Academia Chinesa de Ciências e de outras instituições acabou por demonstrar que era esse o caso, ao conceber um algoritmo clássico que poderia simular as operações quânticas do Google em apenas 15 horas em 512 chips GPU. Eles alegaram que, com acesso a um dos maiores supercomputadores do mundo, poderiam ter feito isso em segundos. A notícia foi um lembrete de que a computação clássica ainda tem muito espaço para melhorias, portanto a vantagem quântica provavelmente continuará sendo um alvo em movimento.
2023: QuEra bate recorde de maior número de qubits lógicos
Uma das maiores barreiras para os computadores quânticos atuais é que o hardware subjacente é altamente sujeito a erros. Devido às peculiaridades da mecânica quântica, corrigir esses erros é complicado e há muito se sabe que serão necessários muitos qubits físicos para criar os chamados “qubits lógicos” que sejam imunes a erros e capazes de realizar operações de maneira confiável. Em dezembro passado, pesquisadores de Harvard que trabalharam com a start-up QuEra quebraram recordes ao gerar 48 qubits lógicos de uma só vez – 10 vezes mais do que qualquer um havia conseguido anteriormente. A equipe conseguiu executar algoritmos nesses qubits lógicos, marcando um marco importante no caminho para a computação quântica tolerante a falhas.
