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OPINIÃO

Texto em que o autor apresenta e defende suas ideias e opiniões, a partir da interpretação de fatos e dados.

Como tranças de cabelo inspiram a ciência na criação do computador quântico

Representação artística do processador Sycamore, do projeto de computador quântico do Google - Forest Stearns/ Google
Representação artística do processador Sycamore, do projeto de computador quântico do Google Imagem: Forest Stearns/ Google
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Daniel Schultz, Monica Matsumoto, Shridhar Jayanthi, Guilherme Pimentel, Luiz Gustavo Martins e Cristina Schultz

sobre os colunistas

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É formada em engenharia pelo ITA, doutora em ciências pela USP e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi

Shridhar Jayanthi é agente de patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO). Tem doutorado em engenharia elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de engenheiro de computação pelo ITA. Atualmente, trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Guilherme Pimentel

Guilherme Pimentel é pesquisador no instituto de física da Universidade de Amsterdã na Holanda, onde trabalha com novas teorias para explicar a expansão acelerada do Universo. Possui graduação em engenharia eletrônica, mestrado em física pelo ITA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica) e doutorado em física na Universidade de Princeton. Sua pesquisa é focada em cosmologia e física de partículas.

Luiz Gustavo Martins

Luiz Gustavo Martins é engenheiro químico, mestrado em física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no MIT (Massachusetts Institute of Technology), na área de física do estado sólido experimental, onde trabalha espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura) e física de altas pressões.

Cristina Schultz

Cristina Schultz é oceanógrafa formada pela USP (Universidade de São Paulo), com mestrado em meteorologia pelo INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e doutorado em oceanografia química pelo WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) e o MIT (Massachusetts Institute of Technology). Atualmente é cientista visitante na Universidade de Princeton, no NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e no Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Laboratório de Dinâmica de Fluidos Geofísicos). Sua pesquisa combina o uso de dados coletados em cruzeiros oceanográficos, dados de satélite e modelos climáticos para entender as consequências das mudanças climáticas na química do oceano e no ecossistema marinho.

Guilherme Pimentel

27/03/2022 04h00

Computadores são baseados em bits —pequenas chaves que podem estar ligadas (bit 1) ou desligadas (bit 0). A complexidade das tarefas que um computador pode executar vem da enorme quantidade de bits disponíveis, assim como das operações que manipulam esses bits. É incrível como uma máquina tão simples pode pagar suas contas, controlar usinas de energia, sistemas hospitalares, executando todo o tipo de tarefas. O que seria possível se os bits fossem mais versáteis?

Essa é parte da motivação por trás de um computador quântico —utilizar as novas possibilidades de bits quânticos, que podem estar "entre 0 e 1", para executar novas operações, algumas mais difíceis que as operações executáveis em computadores convencionais.

Por exemplo, com computadores quânticos, fazer determinadas operações matemáticas com números enormes se torna mais simples, e talvez signifique que os sistemas modernos de criptografia (suas operações de cartão de crédito, por exemplo, são seguras porque computadores clássicos não sabem manipular números enormes) tenham que ser remodelados.

Além disso, provavelmente poderíamos simular moléculas nesse computador, abrindo um universo de possibilidades de produção de novos materiais e novos fármacos.

Descrever como um computador quântico funciona em detalhe nos levaria em várias direções interessantes, mas nesta coluna quero focar em outro aspecto — o porquê de computadores quânticos serem tão difíceis de se produzir na prática.

Mais incrível, quero descrever a ideia fascinante que vários cientistas estão explorando para resolver esse problema.

A ideia é familiar para quem tem cabelos compridos: tranças!

O formato da trança no cabelo demonstra o que você deseja —proteger os cabelos, mudar a estética, sentir menos calor no pescoço etc. Formando tranças em circuitos de laboratório, cientistas querem criar bits quânticos.

Primeiro, o problema.

Gerar um bit quântico não é muito complicado em laboratórios modernos. Por exemplo, podemos manipular um átomo dentro de um cristal, aplicando correntes elétricas e campos magnéticos etc.

O problema é que, após terminarmos nossa manipulação, o átomo está rodeado por outras partículas dentro do cristal. Essas partículas começam a colidir com o átomo manipulado, e rapidamente o estado quântico que preparamos é perdido nessas colisões. Se formos observar o sistema depois de pouco tempo, não estará mais onde queríamos.

Esse problema existe até mesmo em computadores convencionais. Nesse caso, como a informação é binária — ou 0 ou 1, ou ligado ou desligado — é relativamente simples corrigir o problema.

Uma analogia: coloque uma pequena bolinha numa coluna de mel de um metro de altura. Se você puser a bolinha no topo da coluna, a bolinha marca o bit 1. Se colocar na base, bit 0. Agora você põe a bolinha no topo da coluna e vai almoçar.

Enquanto isso, seu colega entra no laboratório e observa a bolinha a setenta centímetros de altura. Mesmo a bolinha não estando no topo, seu colega saberá que você preparou a bolinha no bit 1, e pode inclusive reajustá-la, movendo-a para o topo.

Quase sempre esse sistema vai se reajustar e manter a informação correta. Raramente você terá má sorte e a bolinha vai parar bem no meio da coluna, e o sistema pode colocá-la na posição errada.

Por isso que computadores, mesmo sendo robustos, de vez em quando falham!

O bit quântico, nessa analogia, é muito mais frágil. É como se nossa bolinha na coluna de mel tivesse um formato mais pontudo, e a informação está na direção em que a bolinha aponta, e não na sua altura na coluna. Qualquer turbulência na coluna vai mudar a direção para onde a bolinha aponta, e a informação se vai.

Há cerca de vinte anos, o físico russo-americano Alexei Kitaev propôs uma nova ideia para criar bits quânticos robustos. Alguns anos antes, físicos descobriram que determinadas partículas carregam um "fio de cabelo" consigo quando se movem em um circuito. Esse "cabelo quântico" é quase indetectável, e sozinho, não resolve nosso problema.

Imagine, na nossa analogia da coluna de mel, que coloquemos uma corda na ponta da nossa bolinha. Se o meio ficar turbulento, a corda vai chacoalhar e qualquer informação que tivermos preparado será destruída.

Se você tem cabelos compridos (ou faz crochê), já sabe a solução que Kitaev propôs.

Pegue várias dessas partículas/bolinhas, e mova umas ao redor das outras. Agora seus fios de cabelo vão gerar uma trança. A trança pode ser chacoalhada o quanto você quiser, mas a sequência de nós ao longo da trança não será destruída.

A ideia de Kitaev é usar as tranças como bits quânticos, abrindo uma nova série de possibilidades. As operações incluem adicionar uma nova trança, remover uma trança, entrançar com outra bolinha etc.

Essa proposta têm um pequeno problema.

Antes, os bits quânticos (na nossa analogia da bolinha) carregavam bastante informação, pois podiam apontar em qualquer direção.

As tranças podem ser complexas, mas na prática somente um determinado número (grande, mas não infinito) de tranças pode ser gerado e manipulado em laboratório.

Mesmo assim, um computador quântico baseado nessas tranças já seria capaz de realizar tarefas muito mais complicadas do que um computador clássico, e de forma robusta.

Provavelmente ainda estamos um pouco distantes de computadores quânticos sendo parte do nosso dia a dia, ou mesmo um único computador quântico capaz de tarefas que têm utilidade prática, e muito mais eficientes do que computadores convencionais.

Nesse momento, vários grupos de pesquisa ao redor do mundo tentam produzir bits quânticos robustos, baseados em tranças (por exemplo, esse grupo em Copenhagen).

O desafio tecnológico é enorme, mas as consequências, em caso de sucesso, serão revolucionárias para o nosso futuro.

Da próxima vez que você ver (ou fizer) uma trança, imagine que na natureza pequenas partículas dançam umas ao redor das outras, gerando longas tranças, com o potencial de se tornarem os bits de informação do futuro.