thumb|Demonstração de um computador quântico da IBM na WTSA de 2024 da UIT em Delhi thumb|Representação da esfera de Bloch de um qubit. O estado é um ponto na superfície da esfera, entre os polos, e .
Um computador quântico é um computador real ou teórico que explora fenômenos quânticos como sobreposição e entrelaçamento de maneira essencial. Acredita-se amplamente que um computador quântico poderia realizar alguns cálculos exponencialmente mais rápido do que qualquer computador clássico. Por exemplo, um computador quântico de grande escala poderia quebrar alguns esquemas de encriptação amplamente utilizados e ajudar físicos na realização de simulações físicas. No entanto, as implementações atuais de hardware de computação quântica são em grande parte experimentais e adequadas apenas para tarefas especializadas.
A unidade de informação básica na computação quântica, o qubit (ou "bit quântico"), serve à mesma função que o bit na computação comum ou "clássica". No entanto, diferentemente de um bit clássico, que pode estar em um de dois estados (um binário), um qubit pode existir numa combinação linear de dois estados conhecida como sobreposição quântica. O resultado da medição de um qubit é um dos dois estados dado por uma regra probabilística. Se um computador quântico manipula o qubit de uma maneira particular, os efeitos de interferência de ondas amplificam a probabilidade do resultado de medição desejado. O projeto de algoritmos quânticos envolve a criação de procedimentos que permitem a um computador quântico realizar essa amplificação.
Os computadores quânticos ainda não são práticos para aplicações no mundo real. Engenheiramente, a produção de qubits de alta qualidade tem se mostrado desafiadora. Se um qubit físico não estiver suficientemente isolado do seu ambiente, ele sofre de decoerência quântica, introduzindo ruído nos cálculos. Governos nacionais investiram pesadamente em pesquisa experimental visando desenvolver qubits escaláveis com tempos de coerência mais longos e taxas de erro mais baixas. Exemplos de implementações incluem supercondutores (que isolam uma corrente elétrica eliminando a resistência elétrica) e armadilhas de íons (que confinam uma única partícula atômica usando campos eletromagnéticos). Pesquisadores afirmaram, e acredita-se amplamente estar correto, que certos dispositivos quânticos podem superar computadores clássicos em tarefas estreitamente definidas, um marco referido como vantagem quântica ou supremacia quântica. Essas tarefas não são necessariamente úteis para aplicações do mundo real. Como resultado, as demonstrações atuais são melhor entendidas como marcos científicos, em vez de evidências de implantação generalizada em curto prazo. Em dezembro de 2024, o chip Willow do Google alcançou a correção de erros abaixo do limiar, um marco esperado há 30 anos, enquanto o investimento governamental global em computação quântica atingiu US$ 10 bilhões até abril de 2025.
Introdução Na computação clássica o computador é baseado na arquitetura de Von Neumann, que faz uma distinção clara entre elementos de processamento e armazenamento de dados, isto é, possui processador (CPU) e memória (RAM) destacados por um barramento de comunicação, sendo o seu processamento inerentemente sequencial. As operações são realizadas sobre bits, que só podem existir em um de dois estados definidos: 0 ou 1. Essa arquitetura tem sido a base de toda a revolução digital, permitindo avanços extraordinários ao longo de décadas.
Entretanto os computadores atuais possuem limitações fundamentais, como por exemplo na área de Inteligência Artificial (IA), onde não existem computadores com potência ou velocidade de processamento suficiente para suportar uma IA avançada, especialmente em tarefas de otimização combinatória e amostragem de distribuições de probabilidade complexas. Problemas que envolvem um grande número de variáveis e interações, como a simulação precisa de moléculas para o desenvolvimento de novos fármacos ou materiais, rapidamente se tornam impossíveis para máquinas clássicas devido à explosão exponencial do espaço de estados a ser explorado. Dessa forma surgiu a necessidade da criação de um computador alternativo dos usuais que resolvesse problemas de IA, ou outros como a fatoração em primos de números muito grandes (que ameaça a criptografia moderna), logaritmos discretos e, crucialmente, a simulação de problemas da própria Física Quântica, uma tarefa para a qual os computadores clássicos são inerentemente inadequados.
A Lei de Moore afirma que a velocidade de um computador, ou mais precisamente, o número de transistores em um circuito integrado, é dobrada a cada 12 a 24 meses. Por décadas, essa observação empírica impulsionou um crescimento constante na velocidade e capacidade de processamento dos computadores. Entretanto, essa evolução exponencial tem um certo limite físico, um ponto onde não será possível miniaturizar mais os componentes eletrônicos, como os transistores de silício, e aumentar essa velocidade. À medida que os componentes se aproximam da escala atômica, efeitos quânticos indesejados, como o tunelamento quântico, começam a interferir no funcionamento clássico dos transistores, causando vazamento de corrente e erros. Este limite físico, conhecido como o fim da Lei de Moore, fez com que se tornasse necessária uma revolução significativa na computação para que este obstáculo fosse quebrado. E assim os estudos em Computação Quântica se tornaram cruciais e a necessidade do desenvolvimento de uma máquina fundamentalmente mais eficiente se torna maior a cada dia, não apenas para continuar o progresso computacional, mas para abrir portas para tipos de problemas inteiramente novos.
História e Evolução A pesquisa para o desenvolvimento da computação quântica iniciou-se já na década de 50, quando cientistas começaram a pensar em aplicar as leis da física e da mecânica quântica nos computadores. Contudo, as ideias eram ainda embrionárias e dispersas. O campo começou a tomar forma nas décadas seguintes, culminando em propostas formais e avanços teóricos que estabeleceram as bases para a área como a conhecemos hoje. Esta linha do tempo mostra os principais marcos:
Marcos Históricos 1950-1980 - Primeiras ideias e fundamentos teóricos. O físico Paul Benioff, em 1980, foi um dos primeiros a descrever um modelo mecânico quântico da Máquina de Turing, mostrando que a computação poderia, em princípio, ser realizada de acordo com as leis da mecânica quântica. 1981 - Em uma palestra no MIT, o físico e prêmio Nobel Richard Feynman propõe formalmente o conceito de um "simulador quântico". Ele argumentou que para simular um sistema quântico de forma eficiente, seria necessário um computador que também operasse com princípios quânticos, uma ideia que é considerada o ponto de partida conceitual para o campo. 1985 - O físico David Deutsch, na Universidade de Oxford, descreve a primeira Máquina de Turing Quântica universal. Ele provou que um computador quântico universal poderia simular eficientemente qualquer outro sistema físico local, estabelecendo a base teórica para a computação quântica de propósito geral. 1994 - Peter Shor, um matemático do Bell Labs da AT&T, em Nova Jersey, desenvolve seu revolucionário Algoritmo de Shor. Este algoritmo mostrou que um computador quântico poderia fatorar números inteiros grandes exponencialmente mais rápido do que os melhores algoritmos clássicos conhecidos, um avanço que preocupou especialistas em criptografia mundial, pois ameaça a segurança de sistemas como o RSA. 1996 - Lov Grover, também do Bell Labs, cria o algoritmo de busca quântica, que oferece uma aceleração quadrática para a busca em bancos de dados não estruturados. Nesse mesmo ano foi proposto um modelo para a correção do erro quântico, um passo crucial para a construção de computadores quânticos tolerantes a falhas. 1999 - No MIT foram construídos os primeiros protótipos de computadores quânticos utilizando montagem térmica e Ressonância Magnética Nuclear (RMN), demonstrando o controle de alguns poucos qubits. 2007 - Surge o Orion, um processador quântico de 16 qubits que realiza tarefas de otimização, desenvolvido pela empresa canadense D-Wave Systems. Embora houvesse debate sobre se o dispositivo era um computador quântico universal, marcou o início da era comercial da computação quântica. 2011 - A D-Wave One torna-se o primeiro computador quântico comercial, um sistema de 128 qubits projetado para recozimento quântico (quantum annealing). Porém o D-Wave One ainda não é totalmente independente, precisa ser usado em conjunto com computadores convencionais para programação e leitura dos resultados. 2017 - Um grande avanço (breakthrough) com a arquitetura de 'flip-flop qubits' é proposto. O físico brasileiro Guilherme Tosi, juntamente com uma equipe de pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, inventou uma nova arquitetura radical para a computação quântica, baseada em 'flip-flop qubits' que pode ser usada em um novo tipo de computador quântico permitindo, assim, a fabricação de processadores quânticos em larga escala de forma muito mais barata – e mais fácil – do que se pensava ser possível, sem a necessidade do processo complicado da colocação precisa dos átomos de silício no processador. 2019 - O Google anuncia ter alcançado a "supremacia quântica" com seu processador Sycamore de 53 qubits, ao realizar uma tarefa específica em 200 segundos que, segundo a empresa, levaria 10.000 anos no supercomputador clássico mais rápido da época. Embora o feito seja um marco, a utilidade prática da tarefa executada é limitada. 2020s - Inicia-se a Era NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum), caracterizada por computadores quânticos com dezenas a centenas de qubits que são ruidosos (propensos a erros) e ainda não possuem correção de erros quânticos robusta. Empresas como IBM, Google, IonQ e Rigetti competem para aumentar o número e a qualidade de seus qubits.
Princípios Fundamentais miniaturadaimagem|Diagrama de um chip de 4 qubits. A mecânica quântica é considerada a mais bem sucedida teoria física. Pois desde a sua criação no início do século XX até os dias atuais, ela tem sido aplicada com precisão inigualável em diversos ramos, desde a física de partículas, atômica e molecular até a astrofísica e matéria condensada. A computação quântica se baseia em três de seus mais contraintuitivos, porém poderosos, fenômenos: superposição, emaranhamento e interferência.
Qubits e Superposição Na computação clássica, a unidade fundamental de informação é o bit, que pode assumir o valor 0 ou 1. Na computação quântica a unidade de informação básica é o Bit quântico ou q-bit (quantum bit). O fato da computação quântica ser tão poderosa está no fato de que além de assumir '0' ou '1' como na computação clássica, um qubit pode existir em uma superposição de ambos os estados. Isso significa que ele pode ser uma combinação linear dos estados '0' e '1' ao mesmo tempo. Parece estranho algo assumir os dois estados diferentes ao mesmo tempo, mas a experiência mental do Gato de Schrödinger, na qual um gato está simultaneamente vivo e morto até ser observado, pode dar um sentido intuitivo à situação.
Graças à essa propriedade da superposição de estados, um registrador de N qubits pode representar 2^N estados simultaneamente. Por exemplo, 3 qubits podem representar 8 (2³) valores ao mesmo tempo, enquanto 3 bits clássicos só podem representar um desses 8 valores por vez. Com 300 qubits, um computador quântico poderia representar mais estados do que o número de átomos no universo observável. Se na computação clássica o processamento é sequencial, operando sobre um estado de cada vez, na computação quântica o processamento é inerentemente paralelo, aplicando operações a todos os estados da superposição simultaneamente.