Imagine uma lanterna brilhando em um quarto escuro. Você pode adivinhar exatamente o que a luz fará: viajar em linha reta de um ponto a outro. Isto parece óbvio, porque no mundo que vemos ao nosso redor, a luz parece seguir um caminho único e claro.
A mecânica quântica pinta um quadro desconhecido.
Se você ampliar a escala atômica, a luz não se comportará como se apenas seguisse uma trajetória reta. Em vez disso, uma partícula de luz explora todos os caminhos disponíveis ao mesmo tempo. Um caminho pode, na verdade, ser uma linha reta que atravessa a sala. Mas outros podem envolver refletir a luz nas paredes, serpentear pelo espaço ou encontrar caminhos extremamente improváveis antes de chegar ao seu destino.
Num certo sentido, a natureza mantém todas estas possibilidades “vivas” simultaneamente. Um resultado aparece somente depois que a luz é “observada” ou uma medição é realizada. O caminho que você observa – geralmente uma linha reta – é simplesmente o resultado mais provável depois que todos os caminhos possíveis interagiram, tornando alguns resultados mais prováveis e outros menos prováveis.
Este conceito parece quase impossível do ponto de vista da vida cotidiana, mas está no cerne da mecânica quântica. hoje, Cientistas como eu está aprendendo como usar esses estranhos efeitos quânticos para construir um tipo inteiramente novo de máquina: o computador quântico.
sobreposição
Na vida cotidiana, a física é direta. Uma bola de tênis está sobre uma mesa ou não. Uma luz está acesa ou apagada. Mesmo que você esteja em outra sala e não saiba qual é, o objeto já tem um estado definido
A mecânica quântica não segue essas regras normais. Dentro das leis da mecânica quântica, os resultados não são fixos até que alguém os observe.
Em escalas muito pequenas, as partículas não possuem estados fixos. Em vez de serem uma coisa ou outra, existem num estado que ainda não foi decidido. Não é porque falta informação, é porque a realidade ainda não se estabeleceu.
Pode haver elétrons, fótons e átomos uma superposição: Um estado que combina diferentes estados possíveis. As partículas podem estar aqui, ali ou em algum lugar intermediário. O gato de Schrödinger Um exemplo famoso é: um gato em uma caixa fechada, conectado a um dispositivo quântico, está vivo e morto até que alguém verifique.
Por mais estranho que pareça, a superposição foi repetidamente confirmada em experimentos de laboratório. No entanto, estes estados quânticos são extremamente frágeis. As interações com o mundo exterior – como calor, vibrações, campos eletromagnéticos dispersos ou mesmo contato acidental com partículas circundantes – podem destruir a delicada superposição, forçando o sistema a um estado único.
Os físicos chamam esse processo de decoerência. Um sistema quântico se comporta como uma moeda girando. Enquanto a moeda ainda está girando no ar, da nossa perspectiva ela não dá cara ou coroa; Ambos os resultados são possíveis. Na mecânica quântica, as partículas podem existir em misturas semelhantes, uma superposição onde vários estados possíveis coexistem.
Somente quando uma medição é feita é que o sistema “escolhe” um resultado específico, da mesma forma que uma moeda girando acaba dando cara ou coroa.
Os físicos referem-se a este processo como colapso, mas os cientistas ainda não resolveram o mistério fundamental que impulsiona este fenómeno. Imagine transmitir música. Os dados permanecem em sua forma original até você iniciar o serviço de streaming, que pode reproduzir qualquer música. Apertar o play transforma esse potencial em uma música real. As medições de partículas quânticas produzem um efeito semelhante, forçando todos os resultados possíveis a se transformarem em um único resultado real.
Amizade fantasmagórica à distância
A superposição não é a única propriedade estranha da mecânica quântica. Outro é o emaranhamento: fenômeno que ocorre quando duas partículas interagem de tal forma que suas propriedades ficam profundamente interligadas, mesmo quando separadas por grandes distâncias.
Quando duas partículas interagem de uma certa maneira, elas podem ficar emaranhadas. Isso significa que uma medição informa instantaneamente algo sobre outra, não importa a distância entre elas. Einstein não gostou dessa ideia E diga isso “Ação assustadora à distância.” Ele pensou que algo estava faltando na teoria quântica. mas depois Muitos testes, Os cientistas mostraram Esse emaranhado quântico é real.
Uma boa maneira de visualizar isso é pensar em dois dançarinos. Depois de muita prática, eles podem combinar os movimentos uns dos outros em diferentes estágios, sem falar. O timing perfeito vem das rotinas que aprendem juntos.
Um novo tipo de computador da estranheza
Então, o que tudo isso significa para o futuro dos computadores?
Um computador normal, como a sua mesa, usa bits. Cada bit é zero ou um, como um interruptor de luz. Todas as suas fotos, vídeos e mensagens são longas sequências dessas opções. Mas um computador quântico usa qubits. Devido à superposição, um qubit pode ser zero, um ou uma mistura de ambos. pode codificar dois qubits Quatro possibilidades ao mesmo tempo; 10 qubits podem codificar 1.024; E 300 qubits podem representar mais estados do que átomos no universo.
Os computadores quânticos pretendem realizar alguns cálculos muito mais rápido do que os computadores clássicos, mas os sistemas atuais ainda enfrentam grandes limitações em termos de velocidade, estabilidade e poder computacional.
Um computador padrão atua como um corredor que deve navegar em cada caminho do labirinto, verificando cada caminho. Os estados quânticos evoluem para que caminhos computacionais úteis se reforcem, levando o sistema ao resultado correto.
Os computadores quânticos são impraticáveis para operações de e-mail, gerenciamento de planilhas e streaming de conteúdo; Os computadores clássicos existentes são bons o suficiente para esta tarefa. O verdadeiro potencial dos computadores quânticos reside na resolução de problemas que são demasiado complexos até mesmo para os computadores clássicos mais poderosos do mundo.
Essas tarefas incluem simular como as moléculas interagem para ajudar os cientistas a projetar novos medicamentos, descobrir materiais que podem melhorar tecnologias como painéis solares e baterias, e avançar em campos como a criptografia.
Bloqueios de Internet e suas chaves
Quase todas as informações pessoais enviadas on-line – logins bancários, registros médicos, mensagens privadas – são protegidas pela criptografia Rivest-Shamir-Adleman, ou RSA, um dos métodos mais amplamente utilizados para proteger as comunicações digitais. RSA Depende da qualidade Dois grandes números primos. É seguro porque é fácil multiplicá-los, mas é muito difícil pegar o resultado e trabalhar de trás para frente para determinar quais números primos foram usados. Será necessário um computador normal Bilhões de anos Supondo que uma chave RSA forte seja quebrada.
Em 1994, porém, o matemático Peter Shore mostrou que um computador quântico suficientemente poderoso poderia resolver este problema. Em apenas algumas horas. Os computadores quânticos de hoje ainda não são grandes o suficiente, mas o rápido progresso significa que poderemos ver isso acontecer nos próximos 10 a 20 anos.
Devido a estes avanços, os especialistas em segurança alertaram para uma abordagem de “colheita agora, desencriptação mais tarde”. Hackers são Coletando dados já criptografadosEsperançosamente, os próximos computadores quânticos permitirão desbloqueá-lo. Por exemplo, os registos médicos de 2026 podem estar em risco em 2040.
Deb Zadia/Wikimedia Commons, CC BY-SA
A mecânica quântica não ameaça apenas os sistemas de segurança atuais – ela também permite novos tipos de segurança. A distribuição quântica de chaves pode aproveitar propriedades sutis de estados quânticos para detectar bisbilhoteiros. Se alguém tentasse interceptar uma mensagem quântica, isso alteraria o sistema e deixaria sinais claros de adulteração.
Pesquisadores chineses Quantum demonstrou distribuição de chaves O ano de 2017 acabou com os satélites e os governos de todo o mundo estão agora a trabalhar em redes quânticas seguras.
Mas estes avanços também trazem questões éticas. As mesmas ferramentas quânticas que podem ajudar os cientistas a compreender as proteínas também podem ser usadas para espionar mensagens privadas. O primeiro país e empresa a desenvolver computadores quânticos que podem superar os computadores clássicos Terá um poder significativo em outros
Esta mudança pode tornar-se tão importante como a invenção da escrita ou da tecnologia nuclear. A tecnologia em si não é boa nem ruim – o que importa é como as pessoas a utilizam.
Onde realmente estamos
Em 2019, o Google disse que seu processador Sycamore realizava um determinado cálculo em 200 segundos. A equipe levantou a hipótese de que um Um supercomputador típico levaria 10.000 anos para realizar a mesma tarefa. Algumas pessoas questionaram a afirmação, e o cálculo não foi muito eficaz, mas ainda assim foi um grande passo – um exemplo real de “vantagem quântica”.
No momento, existem muitas universidades além da IBM, Google e IonQ A construção está em andamento Computadores quânticos maiores e mais confiáveis. O principal problema é que os qubits são extremamente frágeis. Mesmo pequenas coisas como vibrações, luz difusa ou pequenas mudanças de temperatura podem alterar o seu estado. A maioria dos computadores quânticos precisa ser resfriada a temperaturas mais frias que o espaço sideral.
Os computadores quânticos provavelmente não substituirão o seu computador desktop nem acelerarão as tarefas diárias do computador. Mas fazem parte de uma revolução tecnológica que poderá melhorar a medicina, a ciência dos materiais e a cibersegurança. Esse impacto provavelmente ocorrerá lentamente: no curto prazo, os computadores quânticos continuarão a ser ferramentas de investigação especializadas, mas dentro de uma ou duas décadas começarão a desempenhar funções práticas numa variedade de campos.
