Construindo computadores quânticos: uma introdução prática de Shayan Majidy, Christopher Wilson e Raymond Laflamme foi publicado pela Cambridge College Press e será lançado nos EUA em 30 de setembro. Os autores me convidaram para escrever um prefácio para o livro, o que tive prazer em fazer. O editor gentilmente me concedeu permissão para publicar o prefácio aqui no Fronteiras Quânticas.
Prefácio
Os princípios da mecânica quântica, que, até onde sabemos, regem todos os fenómenos naturais, foram descobertos em 1925. Durante 99 anos, construímos essa conquista para alcançar uma compreensão abrangente de grande parte do mundo físico, desde moléculas a materiais e partículas elementares. e muito mais. Nenhum avanço comparativamente revolucionário na ciência basic ocorreu desde 1925. Mas uma nova revolução está iminente.
Até agora, a maior parte do que aprendemos sobre o mundo quântico resultou da consideração do comportamento de partículas individuais – por exemplo, um único eletrão que se propaga como uma onda através de um cristal, imperturbável por barreiras que parecem estar no seu caminho. A compreensão de que a física das partículas únicas permitiu-nos explorar a natureza de formas sem precedentes e construir tecnologias de informação que transformaram profundamente as nossas vidas.
O que está acontecendo agora é que estamos aprendendo como instruir as partículas a evoluir de maneiras coordenadas que não podem ser descritas com precisão em termos do comportamento de uma partícula de cada vez. As partículas, como gostamos de dizer, podem ficar emaranhadas. Muitas partículas, como electrões, fotões ou átomos, quando altamente emaranhadas, exibem uma complexidade extraordinária que não conseguimos captar com os mais poderosos supercomputadores actuais, ou com as nossas teorias actuais sobre como a natureza funciona. Isso abre oportunidades extraordinárias para novas descobertas e novas aplicações.
O mais tentador é que prevemos que, ao construir e operar computadores quânticos de grande escala, que controlam a evolução de sistemas quânticos emaranhados muito complexos, seremos capazes de resolver alguns problemas computacionais que estão muito além do alcance dos computadores digitais de hoje. O conceito de computador quântico foi proposto há mais de 40 anos, e a tarefa de construir {hardware} de computação quântica tem sido levada a sério desde a década de 1990. Após décadas de progresso constante, os processadores de informação quântica com centenas de qubits tornaram-se viáveis e são cientificamente valiosos. Mas podemos precisar de processadores quânticos com milhões de qubits para realizar aplicações práticas de amplo interesse. Ainda há um longo caminho a percorrer.
Por que está demorando tanto? Um computador convencional processa bits, onde cada bit poderia ser, digamos, uma chave que pode ser ligada ou desligada. Para construir estados quânticos emaranhados altamente complexos, o componente basic de transporte de informações de um computador quântico deve ser o que chamamos de “qubit”, em vez de um bit. O problema é que os qubits são muito mais frágeis que os bits – quando um qubit interage com seu ambiente, a informação que ele carrega é irreversivelmente danificada, um processo chamado decoerência. Para realizar operações lógicas confiáveis em qubits, precisamos evitar a decoerência, mantendo os qubits quase perfeitamente isolados de seu ambiente. Isso é muito difícil de fazer. E como um qubit, ao contrário de um bit, pode mudar continuamente, controlar com precisão um qubit é um desafio adicional, mesmo quando a decoerência está sob controle.
Embora os teóricos possam achar conveniente considerar um qubit (ou um bit) como um objeto abstrato, em um processador actual um qubit precisa ser codificado em um sistema físico específico. Existem muitas opções. Pode, por exemplo, ser codificado num único átomo que pode estar em qualquer um dos dois estados internos de longa duração. Ou o spin de um único núcleo atômico ou elétron que aponta para cima ou para baixo ao longo de algum eixo. Ou um único fóton que ocupa um dos dois modos ópticos possíveis. Todas essas codificações são notáveis, porque o qubit reside em um sistema quântico único e muito simples, mas, graças aos avanços técnicos ao longo de várias décadas, aprendemos a controlar razoavelmente bem esses qubits. Alternativamente, o qubit poderia ser codificado em um sistema mais complexo, como um circuito conduzindo eletricidade sem resistência a temperaturas muito baixas. Isto também é notável porque, embora o qubit envolva o movimento colectivo de milhares de milhões de pares de electrões, aprendemos a fazê-lo comportar-se como se fosse um único átomo.
Para operar um computador quântico, precisamos manipular qubits individuais e realizar operações de emaranhamento em pares de qubits. Uma vez que pudermos executar essas “portas quânticas” de um e dois qubits com precisão suficiente, e medir e inicializar os qubits também, então, em princípio, poderemos realizar qualquer computação quântica concebível montando um número suficiente de qubits e executando um número suficiente de portas.
É um desafio de engenharia assustador construir e operar um sistema quântico de complexidade suficiente para resolver problemas de computação muito difíceis. Essa tarefa de engenharia de sistemas e as potenciais aplicações práticas de tal máquina estão além do escopo do Construindo Computadores Quânticos. Em vez disso, o foco está nos constituintes elementares do computador para quatro modalidades diferentes de qubit: spins nucleares, fótons, íons atômicos presos e circuitos supercondutores. Cada tipo de qubit tem sua própria história fascinante, contada aqui com habilidade e clareza admirável.
Para cada modalidade, uma questão essential deve ser abordada: como produzir interações emaranhadas bem controladas entre dois qubits. As respostas variam. Os giros têm interações que estão sempre ativas e podem ser “reorientados” aplicando pulsos adequados. Os fótons dificilmente interagem entre si, mas tais interações podem ser simuladas usando medidas apropriadas. Devido à sua repulsão de Coulomb, os íons aprisionados compartilham modos normais de vibração que podem ser manipulados para gerar emaranhamento. Acoplamentos e frequências de qubits supercondutores podem ser ajustados para ativar e desativar interações. A física subjacente a cada esquema é instrutiva, com lições valiosas para os informacionistas quânticos prestarem atenção.
Várias plataformas propostas de processamento de informações quânticas têm pontos fortes e fracos característicos, que são claramente delineados neste livro. Por enquanto é importante seguir uma variedade de abordagens de {hardware} em paralelo, porque não sabemos ao certo quais delas têm as melhores perspectivas a longo prazo. Além disso, diferentes tecnologias qubit podem ser mais adequadas para diferentes aplicações, ou um híbrido de diferentes tecnologias pode ser a melhor escolha em alguns ambientes. A verdade é que ainda estamos nas fases iniciais do desenvolvimento de sistemas de computação quântica e há muito potencial para surpresas que poderão alterar drasticamente as perspectivas.
Construir computadores quânticos em grande escala é um grande desafio enfrentado pela ciência e tecnologia do século XXI. E estamos apenas começando. Os qubits e as portas quânticas de um futuro distante podem parecer muito diferentes do que é descrito neste livro, mas os autores fizeram escolhas sábias ao selecionar materiais que provavelmente terão valor duradouro. Além disso, o livro é altamente acessível e divertido de ler. À medida que a tecnologia quântica se torna cada vez mais sofisticada, espero que o estudo e o controlo de sistemas altamente complexos de muitas partículas se tornem um tema cada vez mais central da ciência física. Se for assim, Construindo Computadores Quânticos será uma leitura preciosa nos próximos anos.
John Preskill
Pasadena, Califórnia
