Neste artigo, começaremos com o princípio da incerteza — um princípio fundamental do mundo microscópico — e exploraremos como os qubits e os computadores quânticos processam informações.
O interesse pelo “mundo pequeno” cresce a cada dia. Já faz um bom tempo que termos como “micro” e “nano” se tornaram familiares para nós por meio de notícias relacionadas à ciência. Diversos campos — incluindo engenharia química e biológica, ciência dos materiais e engenharia mecânica — estão explorando o mundo na nanoescala e, além disso, no nível atômico. A engenharia elétrica não é exceção. Devido à natureza da área, ela se concentra principalmente em elétrons, que carregam carga negativa, e fótons, que são partículas de luz. O ramo da ciência que trata esses minúsculos quanta como partículas e ondas e interpreta os resultados em termos de probabilidade é chamado de mecânica quântica. O princípio da incerteza é um princípio fundamental da mecânica quântica. Ele se baseia na ideia de que “o produto da incerteza na posição e da incerteza no momento é sempre maior que uma certa constante”. Não importa quão preciso seja o instrumento de medição, o produto da incerteza na posição e da incerteza no momento é sempre maior que ℏ e nunca pode ser menor que esse valor. Seja Δx a incerteza na posição e Δp a incerteza no momento (que é o produto da massa e da velocidade); então a seguinte equação é válida: Δx × Δp ≧ ℏ (ℏ = 1.055 × 10⁻³⁴ J·s).
Para facilitar a compreensão, consideremos o seguinte exemplo. Suponha que temos um microscópio capaz de observar um elétron. Para que possamos ver um elétron, a luz deve incidir sobre ele e, em seguida, atingir nossos olhos. Para medir com precisão a posição da luz, precisamos usar luz com um comprimento de onda curto; no entanto, como um comprimento de onda curto corresponde a alta energia, o erro no momento aumenta quando a luz incide sobre o elétron. Por outro lado, para medir com precisão o momento da luz, precisamos usar luz com baixa energia; no entanto, baixa energia resulta em um comprimento de onda longo, o que, por sua vez, aumenta o erro na posição. É impossível medir ambas as grandezas físicas com precisão. Esse dispositivo de medição hipotético, também conhecido como "microscópio de Heisenberg", foi frequentemente citado por Bohr para explicar o princípio da incerteza. O princípio da incerteza não é observado no dia a dia porque, como pode ser visto na equação, o produto das duas incertezas é extremamente pequeno — 10⁻³⁴ J·s. Para objetos comuns do nosso dia a dia — como um carro em movimento ou uma bola arremessada por um lançador — a posição e o momento são tão grandes que mesmo uma pequena mudança na posição ou na velocidade não é visível a olho nu. No entanto, em áreas que lidam com o mundo microscópico, como a fabricação de semicondutores, o princípio da incerteza é uma consideração crucial. "Quanta informação pode ser armazenada em um espaço limitado?" sempre foi uma questão fundamental na indústria de semicondutores. A busca por armazenar terabytes (TB) de informação em um espaço de apenas alguns centímetros quadrados levou a um foco em um mundo ainda menor que a escala micrométrica ou nanométrica. Nesse contexto, os efeitos do princípio da incerteza não podem ser ignorados.
Ao entrar no domínio subnanométrico, os transistores — que processam bits (0s e 1s) — também precisam se tornar correspondentemente menores; nesse mundo minúsculo, porém, a incerteza das partículas impede que 0s e 1s sejam claramente distinguidos. Isso leva à ambiguidade na informação. Os engenheiros de semicondutores ainda estão lidando com as limitações da integração desses dispositivos. Recentemente, outros engenheiros introduziram o conceito de "qubit" e estão pesquisando maneiras de transmitir grandes quantidades de informação mais rapidamente. Como os bits usados em computadores convencionais representam apenas a diferença entre a presença ou ausência de corrente elétrica, eles têm apenas dois estados possíveis: 0 e 1. No entanto, os qubits aproveitam o fato de que, devido à incerteza posicional, uma partícula pode existir simultaneamente nos estados 0 e 1.
Isso é descrito como a partícula estando em um estado de “superposição”. Ao utilizar a superposição quântica, os computadores quânticos podem realizar cálculos maiores e mais rápidos do que os computadores convencionais, que processam informações usando apenas 0s e 1s. Enquanto os bits atingem seu limite à medida que se aproximam da escala atômica — ponto em que a distinção entre 0 e 1 se torna indistinta —, os qubits operam de maneira oposta.
Um computador quântico é um novo tipo de computador que utiliza qubits como sua unidade básica de informação. Seu poder computacional é imenso. Se um computador quântico com capacidade de processamento de 32 qubits existisse, ele seria capaz de realizar aproximadamente 4 bilhões de operações diferentes simultaneamente. Considerando que cada operação leva um segundo, o tempo necessário para um computador convencional realizar 4 bilhões de operações seria de 4 bilhões de segundos — aproximadamente 100 anos. No entanto, um computador quântico de 32 qubits poderia realizar as mesmas operações em apenas um segundo. Contudo, existem muitos obstáculos a serem superados antes que possam ser usados no mundo real. O maior problema é a “coerência quântica”. Para que as propriedades quânticas — como o princípio da incerteza — se manifestem corretamente, as partículas devem estar em um “estado puro”, o que é chamado de coerência quântica. Quanto maior o nível de coerência, menores as perturbações, permitindo cálculos mais precisos; entretanto, alcançar isso não é uma tarefa fácil. Atualmente, muitos engenheiros estão pesquisando métodos para criar e manter a coerência. Se mais alguns problemas como esse puderem ser resolvidos, o dia em que usaremos computadores quânticos chegará em breve.
