De Santa Bárbara, na Califórnia, a Hefei, na China, os cientistas estão desenvolvendo um novo tipo de computador que fará com que as máquinas de hoje pareçam brinquedos.
Aproveitando os poderes misteriosos da mecânica quântica, a tecnologia realizará tarefas em minutos que mesmo os supercomputadores não conseguiriam concluir em milhares de anos. No outono de 2019, o Google revelou um computador quântico experimental mostrando que isso era possível. Dois anos depois, um laboratório na China fez o mesmo.
Mas a computação quântica não atingirá seu potencial sem a ajuda de outro avanço tecnológico. Chame isso 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 por três locais físicos. Anteriormente, isso era possível com apenas dois arquivos .
O novo experimento indica que os cientistas podem estender uma rede quântica em um número cada vez maior de sites. “Agora estamos construindo pequenas redes quânticas no laboratório”, disse Ronald Hanson, físico de Delft que supervisiona a equipe. “Mas a ideia é eventualmente construir uma internet quântica.”
Sua pesquisa, divulgada esta semana com um artigo publicado na revista científica Nature, demonstra o poder de um fenômeno que Albert Einstein considerou impossível. O teletransporte quântico – o que ele chamou de “ação assustadora à distância” – pode transferir informações entre locais sem realmente mover a matéria física que a contém.
Essa tecnologia pode mudar profundamente a maneira como os dados viajam de um lugar para outro. Ele se baseia em mais de um século de pesquisas envolvendo a mecânica quântica, um campo da física que governa o reino subatômico e se comporta de maneira diferente de tudo que experimentamos em nossas vidas cotidianas. O teletransporte quântico não apenas move dados entre computadores quânticos, mas também o faz de maneira que ninguém possa interceptá-los.
“Isso não apenas significa 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 explorando o teletransporte quântico. “Não funciona assim hoje. O Google sabe o que você está executando em seus servidores.”
Um computador quântico explora as maneiras estranhas como alguns objetos se comportam se forem muito pequenos (como um elétron ou uma partícula de luz) ou muito frios (como um metal exótico resfriado a quase zero absoluto, ou menos 460 graus Fahrenheit). Nessas situações, um único objeto pode se comportar como dois objetos separados ao mesmo tempo.
Computadores tradicionais realizam cálculos processando “bits” de informação, com cada bit contendo 1 ou 0. Aproveitando o estranho comportamento da mecânica quântica, um bit quântico, ou qubit, pode armazenar uma combinação de 1 e 0 – um pouco como uma moeda girando tem a possibilidade tentadora de dar cara ou coroa quando finalmente cair na mesa.
Isso significa que dois qubits podem conter quatro valores ao mesmo tempo, três qubits podem conter oito, quatro podem conter 16 e assim por diante. À medida que o número de qubits cresce, um computador quântico se torna exponencialmente mais poderoso.
Os pesquisadores acreditam que esses dispositivos podem um dia acelerar a criação de novos medicamentos, impulsionar avanços em inteligência artificial e quebrar sumariamente a criptografia que protege computadores vitais para a segurança nacional. Em todo o mundo, governos, laboratórios acadêmicos, startups e gigantes da tecnologia estão gastando bilhões de dólares explorando a tecnologia.
Em 2019, o Google anunciou que sua máquina havia alcançado o que os cientistas chamam de “supremacia quântica”, o que significava que poderia realizar uma tarefa experimental impossível com computadores tradicionais. Mas a maioria dos especialistas acredita que vários anos se passarão – no mínimo – antes que um computador quântico possa realmente fazer algo útil que você não pode fazer com outra máquina.
Parte do desafio é que um qubit quebra, ou “decoere”, se você ler informações dele – ele se torna um bit comum capaz de conter apenas 0 ou 1, mas não ambos. Mas ao juntar muitos qubits e desenvolver maneiras de se proteger contra a decoerência, os cientistas esperam construir máquinas que sejam poderosas e práticas.
Em última análise, idealmente, eles seriam unidos em redes que podem enviar informações entre nós, permitindo que sejam usados de qualquer lugar, assim como serviços de computação em nuvem como Google e Amazon tornam o poder de processamento amplamente acessível hoje.
Mas isso vem com seus próprios problemas. Em parte por causa da decoerência, a informação quântica não pode simplesmente ser copiada e enviada através de uma rede tradicional. O teletransporte quântico oferece uma alternativa.
Embora não possa mover objetos de um lugar para outro, pode mover informações aproveitando uma propriedade quântica chamada “emaranhamento”: uma mudança no estado de um sistema quântico afeta instantaneamente o estado de outro, distante.
“Após o emaranhamento, você não pode mais descrever esses estados individualmente”, disse Northup. “Fundamentalmente, agora é um sistema.”
Esses sistemas emaranhados podem ser elétrons, partículas de luz ou outros objetos. Na Holanda, Dr. Hanson e sua equipe usaram o que é chamado de centro de vacância de nitrogênio – um pequeno 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 em uma linha com fios de fibra óptica. Os cientistas poderiam 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. Com efeito, os elétrons receberam o mesmo spin 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 poderiam então transferir esse estado quântico para outro qubit, um núcleo de carbono, dentro do diamante sintético de Bob. Isso liberou o elétron de Bob, e os pesquisadores puderam então enredá-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 poderiam então colar os dois emaranhados: Alice mais Bob colados a Bob mais Charlie.
O resultado: Alice se envolveu com Charlie, o que permitiu que os dados se teletransportassem pelos três nós.
Quando os dados viajam dessa maneira, sem realmente 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 o Dr. Hanson.
A informação também não pode ser interceptada. Uma futura internet quântica, alimentada por teletransporte quântico, poderia fornecer um novo tipo de criptografia teoricamente inquebrável.
No novo experimento, os nós da rede não estavam tão distantes – apenas cerca de 18 metros. Mas experimentos anteriores mostraram que sistemas quânticos podem ser emaranhados em distâncias maiores.
A esperança é que, após vários anos de pesquisa, o teletransporte quântico seja viável por muitos quilômetros. “Agora estamos tentando fazer isso fora do laboratório”, disse o Dr. Hanson.
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