De Santa Barbara, na Califórnia, a Heifei, na China, cientistas estão desenvolvendo um novo tipo de computador que vai fazer as máquinas de hoje parecerem brinquedos. Aproveitando os misteriosos poderes da mecânica quântica, a tecnologia realizará em minutos tarefas que até mesmo os supercomputadores não conseguiriam concluir em milhares de anos.
No segundo semestre de 2019, o Google apresentou um computador quântico piloto mostrando que isso era possível. Dois anos depois, um laboratório na China fez praticamente o mesmo.
Mas a computação quântica não alcançará seu potencial sem a ajuda de outra inovação tecnológica. Chame-a de “internet quântica” – uma rede de computadores que pode enviar informações quânticas entre máquinas distantes.
Na Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, uma equipe de físicos deu um passo significativo em direção a essa rede de computadores do futuro, usando uma técnica chamada “teletransporte quântico” para enviar dados de máquinas quânticas a três lugares físicos. Anteriormente, isso foi possível apenas com dois.
O novo experimento indica que os cientistas podem estender uma rede quântica para um número cada vez maior de locais. “Agora estamos construindo pequenas redes quânticas no laboratório”, disse Ronald Hanson, físico da Universidade Delft que supervisiona a equipe. “Mas a ideia é em algum momento criar uma internet quântica.”
A pesquisa, divulgada em um artigo publicado na revista científica Nature, demonstra o poder de um fenômeno que outrora foi considerado impossível por Albert Einstein. O teletransporte quântico – chamado pelo cientista alemão de “ação fantasmagórica à distância” – pode transferir informações entre locais sem realmente mover a matéria física onde elas estão guardadas.
Essa tecnologia poderia mudar profundamente a maneira como os dados são transmitidos de um lugar para outro. Ela se baseia em mais de um século de pesquisa envolvendo a mecânica quântica, um campo da física que controla o mundo subatômico e se comporta de maneira diferente de tudo que experimentamos em nosso cotidiano. O teletransporte quântico não apenas transfere dados entre computadores quânticos, mas também o faz de um modo que ninguém possa interceptá-los.
“Isso não significa apenas que o computador quântico pode resolver seu problema, mas, também, que ele não sabe qual é o problema”, disse Tracy Eleanor Northup, pesquisadora do Instituto de Física Experimental da Universidade de Innsbruck, que também está pesquisando sobre o teletransporte quântico.
“Não funciona dessa maneira com máquinas tradicionais, que usamos atualmente. O Google sabe o que você está executando em seus servidores”, diz ele.
Propriedades
Um computador quântico acessa as maneiras estranhas como alguns objetos se comportam quando são muito pequenos (como um elétron ou uma partícula de luz) ou muito frios (como um metal exótico resfriado a quase zero absoluto, - 273 °C). Nessas situações, um único objeto pode se comportar como dois objetos diferentes ao mesmo tempo.
Os computadores tradicionais realizam cálculos processando “bits” de informação, com cada bit sendo representado por 1 ou 0. Ao aproveitar o comportamento estranho da mecânica quântica, um bit quântico (qubit) pode armazenar uma combinação de 1 e 0 – lembra um pouco uma moeda giratória que tem a possibilidade fascinante de dar cara ou coroa quando finalmente parar de girar e cair na mesa.
Isso significa que dois qubits podem representar quatro valores ao mesmo tempo, três qubits podem representar oito, quatro podem representar 16 e assim por diante. Conforme o número de qubits aumenta, um computador quântico se torna exponencialmente mais poderoso.
Utilidade
Os pesquisadores acreditam que esses dispositivos poderão um dia acelerar a criação de novos medicamentos, fomentar avanços em inteligência artificial e decifrar de forma rápida a criptografia que protege computadores vitais para a segurança nacional. Em todo o mundo, governos, laboratórios de pesquisa acadêmica, startups e gigantes da tecnologia estão gastando bilhões de dólares investigando a tecnologia.
Em 2019, o Google anunciou que sua máquina tinha alcançado o que os cientistas chamam de “supremacia quântica”, o que significava que ela poderia realizar uma tarefa experimental impossível para os computadores tradicionais. No entanto, a maioria dos especialistas acredita que levará muitos anos ainda – no mínimo – até que um computador quântico possa mesmo fazer algo útil e impossível de se realizar com outra máquina.
Parte do desafio é que um qubit decifra, ou é submetido a um processo de “decoerência quântica”, quando você lê informações a partir dele – ele se torna um bit comum capaz de representar apenas 0 ou 1, mas não ambos, o que gera erros nas máquinas. Porém, ao juntar muitos qubits e desenvolver maneiras de se proteger contra a decoerência quântica, os cientistas esperam construir máquinas que sejam tanto poderosas como práticas.
Teletransporte
Em última análise, idealmente, elas seriam integradas a redes que podem enviar informações entre nós (pontos de conexão), permitindo que sejam usadas de qualquer lugar, assim como os serviços de computação em nuvem do Google e da Amazon tornam o poder de processamento bastante acessível hoje.
Mas isso vem acompanhado por seus próprios problemas. Em parte por causa do processo de decoerência, a informação quântica não pode simplesmente ser copiada e enviada através de uma rede tradicional. Porém, o teletransporte quântico oferece uma alternativa.
Embora não possa mover objetos de um lugar para outro, ele pode transferir informações explorando uma propriedade quântica chamada “emaranhamento”: uma mudança no estado de um sistema quântico afeta instantaneamente o estado de outro que está distante.
“Depois do emaranhamento, não é mais possível descrever esses estados de forma separada”, explica Tracy. “Basicamente, os sistemas virão um único sistema”, diz.
Esses sistemas emaranhados podem ser elétrons, partículas de luz ou outros objetos. Na Holanda, Hanson e sua equipe usaram o que é chamado de centro de nitrogênio-vacância – um minúsculo espaço vazio em um diamante sintético no qual os elétrons podem ser presos.
A equipe construiu três desses sistemas quânticos, chamados Alice, Bob e Charlie, e os conectou a uma linha com fios de fibra óptica. Os cientistas conseguiram então emaranhar esses sistemas enviando fótons individuais – partículas de luz – entre eles.
Primeiro, os pesquisadores emaranharam dois elétrons – um pertencente a Alice e o outro a Bob. Na prática, os elétrons receberam o mesmo “giro” e, portanto, foram unidos, ou emaranhados, em um estado quântico comum, cada um armazenando a mesma informação: uma combinação particular de 1 e 0.
Os pesquisadores conseguiram então transferir esse estado quântico para outro qubit, um núcleo de carbono, dentro do diamante sintético de Bob. Fazer isso liberou o elétron de Bob, e os pesquisadores puderam então emaranhá-lo com outro elétron pertencente a Charlie.
Ao realizar uma operação quântica específica em ambos os qubits de Bob – o elétron e o núcleo de carbono –, os pesquisadores puderam então grudar os dois emaranhados: Alice com Bob colados a Bob com Charlie.
Resultado: Alice também estava emaranhada com Charlie, o que permitiu que dados se teletransportassem pelos três nós.
Quando os dados são transferidos dessa maneira, sem de fato percorrer a distância entre os nós, eles não podem ser perdidos. “As informações podem ser inseridas em um lado da conexão e, depois, aparecer no outro”, disse Hanson.
As informações também não podem ser interceptadas. Uma futura internet quântica, alimentada por teletransporte quântico, poderia oferecer um novo tipo de criptografia teoricamente indecifrável.
No novo experimento, os nós da rede não estavam tão distantes – apenas cerca de 18 metros entre si. Mas experimentos anteriores mostraram que sistemas quânticos podem ser emaranhados em distâncias maiores.
A esperança é que, depois de vários anos de pesquisa, o teletransporte quântico seja viável por muitos quilômetros. “Agora estamos tentando fazer isso fora do laboratório”, disse Hanson. / TRADUÇÃO DE ROMINA CÁCIA