O Estado Atual da Computação Quântica

Computação Quântica é Diferente

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 (sem corrente ou corrente), ela usa “bits quânticos”, chamados qubits, onde os dados da partícula são simultaneamente 0 E 1, 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 tem dificuldades com cálculos muito complexos, como modelagem climática, criptografia ou a configuração 3D de moléculas complexas como proteínas. E esse é exatamente o tipo de cálculo em que se espera que a computação quântica se destaque.

Portanto, embora nossos laptops e smartphones provavelmente nunca sejam computadores quânticos, eles podem revolucionar a pesquisa científica.

Computação Quântica é Difícil

Então, com a promessa de que supercomputadores quânticos terão desempenho mil vezes melhor que os existentes, não é surpresa que muitas pesquisas tenham sido realizadas para torná-los realidade.

Mas o problema é que criar até mesmo um 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. Apenas nessas condições alguns materiais únicos se tornam supercondutores (materiais sem resistência elétrica). Isso consome energia, é caro e difícil de alcançar.

Em seguida, controlar, 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, portanto é necessário alcançar um vácuo perfeito.

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

Computação Quântica Avança

Atravessando o Limite de 1.000 Qubits

Uma equipe liderada pelo Professor Gerhard Birkl do grupo de pesquisa “Atoms – Photons – Quanta” no Departamento de Física da TU Darmstadt na Alemanha acabou de criar o maior computador quântico até agora.

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

Fonte: Optica

A marca de 1.000 é parcialmente simbólica, mas também está perto do número esperado para ser necessário para aplicações significativas de computadores quânticos. Menos 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 em micro‑óptica, esta é a técnica mais promissora na computação quântica para um método escalável de construir sistemas muito maiores.

Fonte: Optica

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

Fonte: Optica

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

Simuladores Quânticos para Resolver a Física

Muitos problemas que os físicos enfrentam hoje estão ligados ao comportamento de partículas na escala quântica, ou pelo menos assim que mais de 30 partículas são simuladas. Isso é um problema, pois os sistemas de computação ordinários têm dificuldade com o comportamento probabilístico das partículas e da física quântica em geral.

Para resolver essa questão, a situação ideal seria desenvolver um “simulador quântico” onde os qubits possam simular o comportamento de partículas quânticas. Isso ocorre porque os qubits utilizam 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 sob medida para cada questão física específica.

Natalia Chepiga e seu grupo de pesquisa, professora assistente na Delft University of Technology nos Países Baixos, pode ter encontrado uma solução.

Ela propõe um protocolo que cria um simulador quântico totalmente controlável em um artigo publicado na Physical Review Letters. Isso funciona usando dois lasers com frequências ou cores diferentes, adicionando uma dimensão extra ao cálculo. Teoricamente, esse 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 inúmeras pesquisas na fronteira do nosso conhecimento atual, incluindo física ultra‑fria (incluindo supercondutores), semicondutores, ciência dos materiais, telecomunicações e tecnologias de energia (especialmente baterias).

QuDits em vez de Qubits

A maioria dos projetos de computação quântica está focada em qubits, buscando torná-los mais fáceis de manipular/programar e aumentar sua quantidade. 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 qudits, sendo D o número de estados por qudit, pode realizar D^x cálculos.

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

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

Em termos mais simples, quanto mais dimensões D um sistema de computação quântica possuir, mais ele se torna exponencialmente poderoso. Além desse cálculo mais eficiente usando qudits em vez de qubits, espera‑se que eles sejam mais confiáveis e menos propensos a causar erros de cálculo que os qubits.

Portanto, é uma grande notícia que uma equipe de pesquisadores liderada por Andrea Morello na UNSW na Austrália tenha criado um sistema de computação qudit de 16 dimensões, altamente controlável. Com D=16, qualquer quantidade de qudits adicionada ao sistema aumenta a capacidade de computação em potência 16.

Para alcançar isso, eles usaram um átomo doador de 123Sb (antimônio), que foi implantado por íons 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; particularmente, “o spin nuclear já demonstra fidelidades de porta superiores a 99% independentemente do mecanismo de acionamento”. O átomo de antimônio também é uma melhoria em relação ao 31P (fósforo) usado anteriormente, pois o antimônio é um átomo mais pesado e mais fácil de manipular.

Essa conquista técnica e científica também está sendo aprimorada, notavelmente usando 28Si isotopicamente purificado (silício), 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 em sua infância, com novos conceitos surgindo, como qudits utilizáveis ou simuladores quânticos programáveis.

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

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

Mas em breve, nos próximos 5‑10 anos, podemos começar a ver resultados práticos dos cálculos de computação quântica. O hardware está agora passando de experimentos mentais 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 reduzir custos e proporcionar alguma padronização.

Portanto, em muitos aspectos, a computação quântica está no estágio em que os primeiros mainframes comerciais surgiram nas décadas de 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 enormemente com a computação quântica se tornar 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 em biotecnologia.
• Modelagem climática: Os modelos climáticos são extraordinariamente complexos e estendem os limites do que os supercomputadores atuais podem fazer. Uma compreensão melhor do clima, com uma escala de cálculo mais fina no modelo, tanto geograficamente quanto temporalmente, pode ajudar a entender os riscos das mudanças climáticas.
• Semicondutores: Computadores quânticos poderiam ser usados para tornar os chips de computador normais muito mais poderosos. Com os chips “normais” agora atingindo a escala de nanômetros, os fenômenos quânticos tornam‑se cada vez mais problemáticos, e os computadores quânticos podem ser necessários para resolvê‑los.
• Ciência dos Materiais: Compreender melhor a física quântica e a reação dos materiais até átomos individuais pode abrir novos designs para materiais usados em aeroespacial, baterias, impressão 3D, manufatura, etc.
• Criptografia: Computadores quânticos poderiam 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, poderia tornar a criptografia ainda mais segura.

Ações de Computação Quântica

1. International Business Machines Corporation

IBM Gráfico de preços

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) foi a força líder por trás da comercialização do primeiro computador mainframe. No entanto, ficou atrás de outros gigantes de tecnologia como Apple (AAPL ), TSMC e NVIDIA.

No entanto, está na vanguarda do desenvolvimento de computadores quânticos. Por exemplo, desenvolveu seu computador quântico de 127 qubits “Eagle”, que foi 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 vanguarda 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 versões anteriores.

Olhando para o futuro, a IBM já anunciou seu próximo grande objetivo antecipando que seus chips quânticos atuais ‘ultrapassarão’ a infraestrutura atualmente usada. Esse objetivo é conhecido como ‘IBM Quantum System Two’; um sistema modular que tem potencial para suportar até 16.632 qubits.

A força da IBM tem sido, desde sua criação, o desenvolvimento de supercomputadores ultra‑poderosos, um segmento de mercado ofuscado pelo surgimento da eletrônica de consumo e chips padronizados. O surgimento da computação quântica é uma oportunidade para a IBM brilhar novamente e tornar‑se líder neste segmento importante emergente de computação para pesquisa científica e necessidades de computação de grandes corporações.

2. Microsoft Corporation

Já líder em serviços de nuvem “normais”, a Microsoft (MSFT ) é pioneira em oferecer serviços de computação quântica em nuvem com Azure Quantum. É totalmente possível que a maior parte da computação quântica no futuro seja feita por pesquisadores “remotamente”, confiando em serviços de nuvem como o da Microsoft, em vez de acesso direto ao seu próprio computador quântico.

Isso é ainda mais provável, pois, em última análise, a maioria das aplicações de computação quântica será pesquisada por bioquímicos, especialistas em ciência dos materiais, cientistas climáticos e outros especialistas sem formação específica em computação quântica. Portanto, contar com profissionais dedicados que trabalham em empresas como 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”, combinando computação quântica com serviço tradicional de supercomputador baseado em nuvem.

Fonte: Microsoft

Em vez de integração vertical, a abordagem da Microsoft à computação quântica tem sido estabelecer parcerias com líderes no campo, cobrindo praticamente 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 enquanto. No entanto, ela é um ator central do setor e pode representar uma escolha de ação “mais segura” em comparação com a aquisição direta de ações de seus parceiros de computação quântica que são negociados publicamente, como QCI ou Rigetti.

3. Alphabet Inc.

O Google está muito ativo em computação quântica, principalmente através de seu laboratório Google Quantum AI e do campus Quantum AI em Santa Barbara.

O computador quântico do Google fez história em 2019 quando o Google alegou ter alcançado a “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 onde tem um histórico muito melhor que o hardware (pesquisa, G Suite, Android, etc.). Já, o Quantum AI do Google disponibiliza um conjunto de softwares projetados para auxiliar cientistas no desenvolvimento de algoritmos quânticos.

É provável que o Google seja uma das empresas que definirão os padrões de software e programação de computação quântica, dando um lugar privilegiado para direcionar onde o campo evoluirá no futuro.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum é o resultado da fusão da Honeywell Quantum Solutions com a Cambridge Quantum (e, como mencionado, um parceiro da computação em nuvem quântica da Microsoft).

Quantinuum parece, por enquanto, focar em segmentos menos explorados por outros sistemas de computação quântica, notavelmente análises financeiras e relacionadas à cadeia de suprimentos, por meio de seu motor Quantum Monte Carlo Integration (QMCI), lançado em setembro de 2023.

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

Assim como na Microsoft, a computação quântica não é a parte central do negócio da Honeywell, que está mais focada em produtos aeroespaciais, automação e produtos químicos e materiais especiais.

No entanto, considerando que cada um desses segmentos de negócios poderia se beneficiar da computação quântica, não é difícil ver o caso de negócios para a Honeywell se envolver.

Portanto, isso faz da Honeywell tanto um fornecedor de serviços de computação quântica quanto uma das empresas que poderia se beneficiar da aplicação de computadores quânticos em casos de negócios reais, algo que a integração da Quantinuum ao grupo deve ajudar a fomentar em ritmo mais rápido que seus concorrentes industriais.

5. Intel

A Intel (INTC ) é uma grande produtora de chips e parece buscar alavancar essa força no campo da computação quântica.

Recentemente lançou “Tunnel Falls”, o “ chip de qubit de spin de silício mais avançado”. O que é notável é que não se trata de um protótipo, mas de um chip construído em escala, com taxa de rendimento de 95% em toda a lâmina e uniformidade de tensão. Isso abre caminho para a produção em massa de chips de computação quântica, algo ainda elusivo em uma indústria nascente e em rápida mudança.

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 diretrizes para programadores desenvolverem software de computação quântica compatível com o design de chip quântico da Intel, que historicamente tem sido uma barreira de negócios muito forte e lucrativa para o negócio de chips convencional da Intel.

Fonte: Intel

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

A Intel é uma empresa que sabe por experiência o quão forte pode ser essa força na indústria de computação, ainda aproveitando o rastro de suas inovações e patentes associadas desde a década de 1960.

6. Defiance Quantum ETF

O setor de computação quântica ainda é muito jovem. Até agora, tem sido dominado principalmente por grandes corporações de tecnologia com recursos financeiros suficientes para financiar bilhões de dólares nessa espécie de pesquisa fundamental.

No entanto, muitas outras empresas menores também estão ativas no campo, algumas fazendo parcerias com esses gigantes 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 adivinhar quais serão comercialmente bem‑sucedidas.

Portanto, embora o investimento direto em startups pequenas de computação quântica seja uma opção, outra é contar com um ETF para obter exposição ao setor enquanto diversifica a um custo menor.

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

Fonte: Defiance ETF

Neste campo que evolui rapidamente, a maioria dos investidores, mesmo aqueles familiarizados com a indústria de semicondutores, provavelmente se beneficiará de um grau de diversificação. Portanto, isso pode ser alcançado seja apostando em gigantes de tecnologia individuais que façam as escolhas de parceria corretas ou com uma ampla variedade de ações, algo frequentemente mais eficientemente alcançado por meio de um ETF dedicado.