O Estado Atual da Computação Quântica

A Computação Quântica é Diferente

A computação quântica é a ideia de usar a física quântica para realizar cálculos, o que difere dos métodos de computação baseados em semicondutores normais. Em vez de gerar 0 e 1 (nenhuma corrente ou corrente), ela usa “bits quânticos”, chamados de qubits, onde os dados da partícula são 0 e 1 ao mesmo tempo, ou 1, ou 0.

Devido à diferença fundamental na forma de cálculo, a computação quântica não é tanto uma alternativa à computação “normal”, mas sim um complemento.

A computação padrão funciona de forma linear e luta com cálculos muito complexos, como modelagem climática, criptografia ou configuração 3D de moléculas complexas, como proteínas. E é exatamente este tipo de cálculo que a computação quântica é esperada para se destacar.

Então, enquanto nossos laptops e smartphones provavelmente nunca serão computadores quânticos, eles podem revolucionar a pesquisa científica.

A Computação Quântica é Difícil

Então, com a promessa de que os supercomputadores quânticos realizarão cálculos mil vezes melhores do que os existentes, não é surpresa que muitas pesquisas tenham sido feitas para torná-los uma realidade.

Mas o problema é que criar um único qubit é tecnicamente muito difícil. A primeira dificuldade é que a computação quântica só funciona em temperaturas ultra-baixas, cerca de cem graus acima do zero absoluto. Somente nessas condições, alguns materiais únicos se tornam supercondutores (materiais com nenhuma resistência elétrica). Isso é energético, caro e difícil de alcançar.

E então, gerenciar, manipular e “ler” os dados em um qubit também é complexo, geralmente envolvendo lasers ultra-precisos, microscópios atômicos e sensores. Por fim, qualquer interferência tornará o qubit inútil, então um vácuo perfeito precisa ser alcançado também.

Enquanto os chips de semicondutor manipulam a matéria em escalas que medem apenas alguns átomos, a computação quântica está procurando lidar com a matéria em escala de partículas. Notavelmente, um computador quântico prático exigirá milhares de qubits para permanecer estável e interagir entre si.

A Computação Quântica Avança

Ultrapassando o Limite de 1.000 Qubits

Uma equipe liderada pelo Professor Gerhard Birkl do grupo de pesquisa “Átomos – Fotons – Quanta” no Departamento de Física da TU Darmstadt na Alemanha acaba de criar o maior computador quântico já feito.

Eles criaram um computador quântico com 1.000 qubits atômicos individuais controláveis, vencendo uma corrida no campo contra muitas outras equipes científicas.

Fonte: Optica

A marca de 1.000 é parcialmente simbólica, mas também é o número esperado para ser necessário para aplicações significativas de computadores quânticos. Menos do que isso, eles são principalmente uma curiosidade científica e uma ideia promissora, mas não muito mais.

A técnica usa “pinças ópticas”, que são lasers especiais capazes de manipular os átomos individualmente. Graças ao progresso na micro-óptica, esta é a técnica mais promissora na computação quântica para um método escalável para construir sistemas muito maiores.

Fonte: Optica

“À medida que o número de lentes por centímetro quadrado facilmente atinge 100.000 e as lâminas MLA com áreas de vários 100 centímetros quadrados podem ser produzidas, elas têm um potencial enorme em termos de escalabilidade, limitado apenas pela potência do laser disponível”
Optica

Aperfeiçoando o uso de tais pinças ópticas, o Prof. Birkl demonstrou que grandes computadores quânticos, com milhares de qubits, podem ser projetados. Isso, por sua vez, dará a ferramenta essencial necessária por outros pesquisadores para realizar cálculos quânticos.

Simuladores Quânticos para Resolver Física

Muitos problemas com os quais os físicos lutam hoje estão relacionados ao comportamento de partículas em escala quântica, ou pelo menos assim que mais de 30 partículas são simuladas. Isso é um problema, pois os sistemas de computação comuns lutam com o comportamento probabilístico de partículas e a física quântica em geral.

Para resolver esse problema, a situação ideal seria desenvolver um “simulador quântico” onde os qubits possam simular o comportamento de partículas quânticas. Isso porque os qubits usam eles mesmos as propriedades quânticas de entrelaçamento e superposição, que são as partes tão difíceis de simular em um computador normal.

Embora os simuladores quânticos sejam essencialmente um tipo especial de computador quântico, o problema até agora tem sido torná-los capazes de simular muitas partículas diferentes em vez de ter que projetar um simulador quântico personalizado para cada questão física específica.

Natalia Chepiga e seu grupo de pesquisa, professora assistente na Universidade de Tecnologia de Delft na Holanda, pode ter encontrado uma solução.

Ela propõe um protocolo que cria um simulador quântico totalmente controlável em um artigo científico publicado em Physical Review Letters. Isso funciona usando dois lasers com frequências ou cores diferentes, adicionando uma dimensão extra ao cálculo. Teoricamente, este método poderia ser expandido para adicionar mais de 2 dimensões ao cálculo do simulador quântico.

Fonte: TU Delft

Esse tipo de simulador quântico poderia ser um grande impulso em muitos esforços de pesquisa na fronteira do nosso conhecimento atual, incluindo física ultrafria (incluindo supercondutores), semicondutores, ciência de materiais, telecomunicações e tecnologias de energia (especialmente baterias).

QuDits em vez de QuBits

A maioria dos projetos de computação quântica está focada em qubits e torná-los mais fáceis de manipular/programar e adicionar mais deles. Uma alternativa é usar dígitos quânticos, ou “qudits”.

“Um computador quântico com x qubits pode realizar 2^x cálculos. No entanto, uma máquina com x número de qudits, com D representando o número de estados por qudit, pode realizar D^x número de cálculos.

Isso significa que você pode codificar a mesma informação em menos partículas quânticas ao usar qudits,”

Martin Ringbauer, um físico quântico na Universidade de Innsbruck na Áustria em IEEE Spectrum

Em termos mais simples, quanto mais dimensões D em um sistema de computação quântica, mais ele se torna exponencialmente poderoso. Além disso, a eficiência de cálculo usando qudits em vez de qubits, eles são esperados para ser mais confiáveis e menos propensos a causar erros de cálculo do que os qubits.

Então, é uma grande notícia que uma equipe de pesquisadores liderada por Andrea Morello na USNW na Austrália criou um sistema de computação quântica de 16 dimensões, altamente controlável. Com D=16, qualquer quantidade de qudits adicionados ao sistema aumenta a capacidade de computação por uma potência de 16.

Para alcançar isso, eles usaram um átomo doador de 123Sb (antimônio), que foi implantado em um dispositivo nanoeletrônico de silício.

“O espaço de Hilbert combinado do átomo abrange 16 dimensões e pode ser acessado usando campos de controle elétrico e magnético. Andrea Morello”

Este sistema alcançou resultados notáveis; notavelmente, “o spin nuclear já mostra fidelidades de porta superiores a 99%, independentemente do mecanismo de acionamento”. O átomo de antimônio também é uma melhoria em relação ao fósforo (31P) anteriormente usado, pois o antimônio é um átomo mais pesado e é mais fácil de manipular.

Este feito técnico e científico também está melhorando, notadamente usando silício purificado isotopicamente (28Si), removendo a concentração residual de 29Si e melhorando a confiabilidade do sistema (tempos de coerência e fidelidades de porta).

Estado do Desenvolvimento da Computação Quântica

O campo ainda está muito em sua infância, com conceitos completamente novos ainda emergindo, como qudits usáveis ou simuladores quânticos programáveis.

Combinado com o progresso na criação de sistemas de 1.000+ qubits, isso mostra que a computação quântica provavelmente será um campo científico muito importante nas próximas décadas, com um potencial tremendo inexplorado.

Atualmente, a pesquisa em ciência de materiais ou bioquímica está sendo impulsionada pela IA, algo que discutimos em nosso artigo “Indústrias Disruptivas se Reunindo em Torno de uma Tecnologia Central – Inteligência Artificial (IA).”

Mas em breve, nos próximos 5-10 anos, podemos começar a ver resultados práticos de cálculos de computação quântica. O hardware agora está passando de experimentos de pensamento e demonstradores de laboratório para protótipos de computadores de pesquisa comerciais.

O próximo passo será desenvolver software que possa maximizar o potencial da computação quântica – e começar a produzir computadores quânticos em escala para diminuir os custos e fornecer alguma padronização.

Então, de muitas maneiras, a computação quântica está na fase em que os primeiros mainframes comerciais estavam saindo em 1950 e 1960 antes de se tornarem uma ferramenta comum de negócios e pesquisa nas décadas seguintes.

Aplicações da Computação Quântica

Embora seja difícil prever completamente, já sabemos alguns segmentos que se beneficiarão grandemente da computação quântica se tornando mais amplamente disponível:

• Modelagem Bioquímica: desde a determinação da forma 3D de uma proteína até a expressão gênica, o cálculo de moléculas biológicas complexas até os átomos pode revolucionar a pesquisa biotecnológica.
• Modelagem Climática: Os modelos climáticos são extraordinariamente complexos e esticam os limites do que os supercomputadores atuais podem fazer. Uma melhor compreensão do clima, com uma escala de cálculo mais fina no modelo, tanto geograficamente quanto no tempo, pode ajudar a entender os riscos de mudanças climáticas.
• Semicondutores: Os computadores quânticos podem ser usados para tornar os chips de computador comuns muito mais poderosos. Com os chips “normais” agora alcançando a escala nanométrica, os fenômenos quânticos se tornam cada vez mais problemáticos, e os computadores quânticos podem ser necessários para resolvê-los.
• Ciência de Materiais: Entender melhor a física quântica e a reação de materiais até os átomos individuais pode abrir novos designs para materiais usados em aerospacial, baterias, impressão 3D, manufatura, etc.
• Criptografia: Os computadores quânticos podem potencialmente tornar todos os métodos de criptografia atuais obsoletos. Isso é uma preocupação séria para sistemas militares, financeiros e de TI. Mas ao mesmo tempo, pode tornar a criptografia ainda mais segura.

Ações da Computação Quântica

1. International Business Machines Corporation

A International Business Machines Corporation (IBM) foi a força líder por trás da comercialização do primeiro computador mainframe. No entanto, ela perdeu terreno para outras gigantes da tecnologia como Apple, TSMC e NVIDIA.

Ela está, no entanto, à frente do desenvolvimento de computadores quânticos. Por exemplo, desenvolveu seu computador quântico de 127 qubits “Eagle”, seguido por um sistema de 433 qubits conhecido como “Osprey”.

E isso agora é seguido por “Condor”, um processador quântico supercondutor de 1.121 qubits baseado na tecnologia de porta de ressonância cruzada, juntamente com “Heron”, um processador quântico na fronteira do campo.

Finalmente, a IBM lançou o Qiskit 1.0 em fevereiro de 2024, o SDK de computação quântica mais popular, com melhorias na construção de circuitos, tempos de compilação e consumo de memória em comparação com lançamentos anteriores.

Olhando para o futuro, a IBM já anunciou seu próximo grande objetivo em antecipação ao “crescimento” de seus chips quânticos atuais ‘infraestrutura atual. Este objetivo é conhecido como “Sistema Quântico IBM Dois”; um sistema modular que tem o potencial de suportar até 16.632 qubits.

A força da IBM sempre foi, desde sua criação, desenvolver supercomputadores ultra-poderosos, um segmento de mercado ofuscado pelo surgimento de eletrônicos de consumo e chips padronizados. O surgimento da computação quântica é uma ocasião para a IBM brilhar novamente e se tornar uma líder neste segmento importante de computação para pesquisa científica e necessidades de computação de grandes corporações.

2. Microsoft Corporation

Já líder em serviços de nuvem “normais”, a Microsoft é uma pioneira em oferecer serviços de computação quântica em nuvem com Azure Quantum. É completamente possível que a maioria da computação quântica no futuro será feita por pesquisadores “remotamente”, confiando em serviços de nuvem como os da Microsoft, em vez de acesso direto a seu próprio computador quântico.

Isso é especialmente provável, pois, no final, a maioria das aplicações de computação quântica será pesquisada por bioquímicos, especialistas em ciência de materiais, cientistas climáticos e outros especialistas sem formação específica em computação quântica. Então, confiar em profissionais dedicados que trabalham em empresas como a IBM, Microsoft ou Google para lidar com a parte de computação faz mais sentido do que contratar ou treinar pessoas estranhas ao campo.

O serviço também pode oferecer “computação híbrida”, misturando computação quântica com serviço de supercomputador baseado em nuvem tradicional.

Fonte: Microsoft

Em vez de integração vertical, a abordagem da Microsoft para a computação quântica tem sido estabelecer parcerias com líderes no campo que cobrem virtualmente todas as tecnologias possíveis para alcançar a computação quântica, como IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT) e Rigetti (RGTI).

Fonte: Microsoft

A computação quântica não é central para o negócio da Microsoft, pelo menos por agora. No entanto, é um ator central do setor e pode ser uma escolha de ação mais “segura” do que adquirir ações de seus parceiros de computação quântica que são negociados publicamente, como QCI ou Rigetti.

3. Alphabet Inc.

O Google está muito ativo na computação quântica, principalmente por meio de seu laboratório de IA Quântica e campus de IA Quântica em Santa Bárbara.

O computador quântico do Google fez história em 2019, quando o Google alegou ter alcançado “supremacia quântica” com sua máquina Sycamore, realizando um cálculo em 200 segundos que levaria um supercomputador convencional 10.000 anos.

Mas talvez a maior contribuição do Google seja no software, uma atividade na qual tem um histórico muito melhor do que no hardware (busca, GSuit, Android, etc.). Já o Quantum AI do Google torna disponível uma suíte de software projetada para ajudar cientistas a desenvolver algoritmos quânticos.

O Google pode provavelmente ser uma das empresas que estabelecerão os padrões de software e programação de computação quântica, dando um lugar privilegiado para direcionar para onde o campo evoluirá no futuro.

4. Quantinuum / Honeywell

A Quantinuum é o resultado da fusão da Honeywell Quantum Solutions e da Cambridge Quantum (e, como mencionado, uma parceira da Microsoft em computação quântica em nuvem).

A Quantinuum parece, por enquanto, se concentrar em segmentos menos explorados por outros sistemas de computação quântica, notadamente análises financeiras e relacionadas à cadeia de suprimentos, por meio de seu motor de Integração de Monte Carlo Quântico (QMCI), lançado em setembro de 2023.

QMCI se aplica a problemas que não têm solução analítica, como precificar derivativos financeiros ou simular os resultados de experimentos de física de partículas de alta energia, e promete avanços computacionais em negócios, energia, logística de cadeia de suprimentos e outros setores.

Assim como a Microsoft, a computação quântica não é a parte central do negócio da Honeywell, mais centrada em produtos em aerospacial, automação e materiais especiais e químicos.

No entanto, considerando que cada um desses segmentos de negócios pode se beneficiar da aplicação de computadores quânticos a casos de negócios reais, não é difícil ver o caso de negócios para a Honeywell se envolver.

Então, isso torna a Honeywell tanto uma fornecedora de serviços de computação quântica quanto uma das empresas que podem se beneficiar da aplicação de computadores quânticos a casos de negócios reais, algo que a integração da Quantinuum ao grupo deve ajudar a promover em um ritmo mais rápido do que seus concorrentes industriais.

5. Intel

A Intel é um grande produtor de chips e parece visar aproveitar essa força na arena de computação quântica.

Ela recentemente lançou “Tunnel Falls”, o “chip de qubit de spin de silício mais avançado”. O que é notável é que não é um protótipo, mas um chip construído em escala, com uma taxa de rendimento de 95% em toda a pastilha e uniformidade de voltagem. Isso abre o caminho para a produção em massa de chips de computação quântica, algo que, por enquanto, é difícil em uma indústria nascente e rapidamente cambiante.

Fonte: Intel

Fiel às suas raízes, a Intel também está desenvolvendo o software para utilizar seus chips, com o lançamento do Intel Quantum SDK. Isso fornece as diretrizes para os programadores desenvolverem software para computação quântica compatível com o design de chip quântico da Intel, que historicamente tem sido um negócio muito forte e lucrativo para o negócio de chip convencional da Intel.

Fonte: Intel

A chegada da fabricação de chips quânticos escaláveis pode ser tão revolucionária para a indústria quanto qualquer outra quebra técnica ou científica, reduzindo custos e estabelecendo padrões de programação e arquitetura de chips comuns.

A Intel é uma empresa que sabe por experiência como essa força pode ser na indústria de computação, ainda surfando na onda de suas inovações e patentes associadas desde os anos 1960 em diante.

6. Defiance Quantum ETF

O setor de computação quântica ainda é muito jovem. Até agora, tem sido principalmente dominado por grandes corporações de tecnologia com bolsos profundos o suficiente para financiar bilhões de dólares em pesquisa fundamental.

No entanto, muitas outras empresas menores também estão ativas no campo, algumas delas parceiras com as gigantes mencionadas para implantar sua tecnologia.

Pode ser uma tarefa bastante difícil para investidores não especializados entender a complexidade das diferentes tecnologias de computação quântica, ainda mais para adivinhar qual delas será comercialmente bem-sucedida.

Então, enquanto o investimento direto em startups de computação quântica é uma opção, outra é confiar em um ETF para obter exposição ao setor enquanto diversifica a um custo mais baixo.

O Defiance Quantum ETF contém 69 diferentes ações relacionadas à computação quântica em seus ativos, incluindo desenvolvedores de computadores e chips quânticos, bem como fornecedores de sistemas de resfriamento, lasers, software e outras tecnologias usadas em computadores ou produção de chips quânticos.

Fonte: Defiance ETF

Nesse campo em rápida evolução, a maioria dos investidores, mesmo aqueles familiarizados com a indústria de semicondutores, provavelmente se beneficiará de um grau de diversificação. Então, isso pode ser alcançado apostando em gigantes da tecnologia que fazem as escolhas de parceria certas ou com uma ampla gama de ações, algo frequentemente mais eficientemente alcançado por meio de um ETF dedicado.