The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
O conteúdo deste cilindro metálico pode revolucionar a tecnologia ou ser completamente inútil — tudo depende de conseguirmos explorar a estranha física da matéria em escalas muito, muito pequenas. Para termos sequer a hipótese de o fazer, temos de controlar o ambiente de forma precisa: a grossura do tampo e das pernas protegem das vibrações dos nossos passos, dos elevadores próximos e das portas a abrir ou a fechar. O cilindro é uma câmara de vácuo, desprovida de todos os gases do ar. Dentro da câmara de vácuo há um compartimento mais pequeno e extremamente frio, alcançável por raios laser minúsculos. Lá dentro estão partículas ultrassensíveis que constituem um computador quântico.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
O que faz com que estas partículas valham todo este esforço? Em teoria, os computadores quânticos podem superar os limites computacionais dos computadores clássicos. Os computadores clássicos processam a informação na forma de bits. Cada bit pode variar entre dois estados: zero ou um. Um computador quântico usa uma coisa chamada qubit, que pode variar entre zero, um e aquilo a que chamamos sobreposição. Quando o qubit está na sua sobreposição, tem muito mais informação do que um ou zero. Também podemos pensar nestas posições como pontos numa esfera: os polos norte e sul da esfera representam um e zero. Um bit só pode variar entre estes dois polos, mas quando um qubit está na sua sobreposição, pode estar em qualquer ponto da esfera. Não podemos localizá-lo exatamente: no momento em que o lemos, o qubit torna-se num zero ou num um. Mas apesar de não conseguirmos observar o qubit na sua sobreposição, podemos manipulá-lo para desempenhar determinadas operações enquanto está nesse estado.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
Assim, se um problema se torna mais complicado, um computador clássico precisa de mais bits para o resolver, enquanto um computador quântico, teoricamente, conseguirá resolver problemas cada vez mais complicados sem precisar de qubits a mais como um computador clássico precisaria.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
As propriedades únicas dos computadores quânticos resultam do comportamento de partículas atómicas e subatómicas. Essas partículas têm estados quânticos, que correspondem ao estado do qubit. Os estados quânticos são extremamente frágeis, facilmente destruídos por oscilações de temperatura e pressão, pelos campos magnéticos e por colisões com partículas próximas. É por isso que os computadores quânticos precisam duma configuração tão elaborada. É também por isso, por enquanto, que o poder dos computadores quânticos permanece largamente teórico. Até agora, só podemos controlar alguns qubits ao mesmo tempo no mesmo espaço.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Há dois componentes essenciais envolvidos na gestão eficaz dos estados quânticos inconstantes: os tipos de partículas que um computador quântico usa e como ele manipula essas partículas. Até agora, há duas grandes abordagens: iões presos e qubits supercondutores.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Um computador quântico de iões presos usa iões como partículas e manipula-os com lasers. Os iões são alojados numa teia de campos elétricos. Os dados dos lasers dizem aos iões que operações desempenhar fazendo com que o estado do qubit rode na esfera. Para usar um exemplo simples se os lasers fizerem a pergunta: “quais são os fatores primos de 15?” em resposta, os iões podem libertar fotões, o estado do qubit determina se o ião emite fotões e quantos fotões emite. Um sistema de imagem recolhe esses fotões e processa-os para revelar a resposta: “3 e 5”.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
Os computadores de qubits supercondutores fazem o mesmo, mas de modo diferente: usando um chip com circuitos elétricos em vez de uma armadilha de iões. Os estados de cada circuito elétrico traduzem-se no estado do qubit. Podem ser manipulados com estímulos elétricos na forma de micro-ondas. Portanto: os qubits vêm ou de iões ou de circuitos elétricos, acionados por lasers ou micro-ondas. Cada modelo tem vantagens e desvantagens. Os iões podem ser manipulados de forma muito precisa, e duram muito tempo, mas quantos mais iões acrescentarmos a uma teia, mais difícil será controlar cada um deles com precisão. Não podemos ter iões suficientes numa teia para fazer cálculos avançados, mas uma solução possível pode ser conectar várias teias mais pequenas que comunicam umas com as outras através de fotões em vez de tentar criar uma grande teia. Os circuitos supercondutores, por sua vez, fazem operações muito mais rapidamente e é mais fácil ampliar o número de circuitos num computador do que o número de iões. Mas os circuitos também são mais frágeis e têm um tempo de vida mais curto.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
E à medida que os computadores quânticos evoluem, vão continuar a estar sujeitos aos constrangimentos ambientais necessários para preservar os estados quânticos. Mas, apesar de todos estes obstáculos, já conseguimos fazer operações informáticas num domínio onde não podemos entrar nem sequer observar.