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 de metal pode revolucionar a tecnologia ou ser completamente inútil, tudo depende se é possível aproveitar a estranha física da matéria em escalas extremamente pequenas. Para se ter ao menos uma chance de fazer isso, o meio ambiente dever ser controlado com muita precisão: o tampo espesso e as pernas de uma mesa protegem contra as vibrações de passos, de elevadores próximos e do abrir ou fechar de portas. O cilindro é uma câmara de vácuo desprovido de todos os gases no ar. No interior da câmara de vácuo está um compartimento menor e extremamente frio, alcançável por pequenos raios laser. Dentro estão partículas ultrassensíveis que compõem 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.
Então, o que faz essas partículas valerem o esforço? Em teoria, computadores quânticos poderiam ultrapassar os limites computacionais de computadores clássicos. Computadores clássicos processam dados na forma de bits. Cada bit pode alternar entre dois estados rotulados de zero e um. Um computador quântico usa algo chamado "qubit", que pode alternar entre zero, um, e o que é chamado de superposição. Enquanto o qubit está em sua superposição, ele tem muito mais informação do que um ou zero. Podemos pensar nessas posições como pontos numa esfera: os polos norte e sul da esfera representam um e zero. Um bit só pode alternar entre esses dois polos, mas quando um qubit está em sua superposição, pode estar em qualquer ponto da esfera. Não podemos localizá-lo exatamente: no momento em que o lemos, o qubit se resolve em zero ou em um. Mas mesmo que não se possa observar o qubit em sua superposição, é possível manipulá-lo para executar operações específicas neste 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.
Conforme um problema se torna mais complexo, um computador clássico, de modo correspondente, precisa de mais bits pra resolvê-lo, enquanto um computador quântico teoricamente seria capaz de lidar com problemas cada vez mais complexos
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.
sem exigir tantos qubits como um computador clássico precisaria de bits. As propriedades exclusivas dos computadores quânticos resultam do comportamento das partículas atômicas e subatômicas. Essas partículas têm estados quânticos, os quais correspondem ao estado do qubit. Estados quânticos são incrivelmente frágeis, facilmente destruídos pela temperatura e flutuações de pressão, por campos eletromagnéticos errantes e por colisões com partículas próximas. Por isso computadores quânticos precisam de uma configuração tão elaborada. E também é por isso que, por enquanto, o poder dos computadores quânticos permanece, em grande parte, teórico. Até agora, pode-se controlar alguns qubits no mesmo lugar ao mesmo tempo.
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-chave envolvidos efetivamente na gestão desses estados de quantum volúveis: os tipos de partículas que um computador quantum usa e como ele manipula essas partículas. No momento, há duas abordagens principais: íons capturados 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 com íon capturado usa íons como suas partículas e os manipula com lasers. Os íons são alojados numa armadilha feita de campos elétricos. Entradas de dados dos lasers dizem aos íons qual operação deve ser feita, fazendo com que o estado do qubit gire na esfera. Para usar um exemplo simplificado, os lasers poderiam introduzir a pergunta: "Quais são os fatores primos de 15?" Em resposta, os íons podem liberar fótons, o estado do qubit determina se o íon emite fótons, e quantos fótons ele emite. Um sistema de imagem coleta esses fótons e os processa para revelar a resposta: três e cinco.
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.
Computadores quânticos supercondutores de qubit fazem o mesmo de modo diferente, usando um chip com circuitos elétricos em vez de uma armadilha de íons. Os estados de cada circuito elétrico traduzem para o estado do qubit. Eles podem ser manipulados com entradas elétricas sob a forma de micro-ondas. Então, os qubits vêm de íons ou circuitos elétricos, acionados por lasers ou micro-ondas. Cada abordagem tem vantagens e desvantagens. Íons podem ser manipulados com muita precisão, e eles duram por muito tempo, mas conforme mais íons são adicionados a uma armadilha, torna-se cada vez mais difícil controlar cada um com precisão. Atualmente, não se pode conter íons suficientes numa armadilha para fazer cálculos avançados, mas uma solução possível pode ser conectar muitas armadilhas menores que se comuniquem entre si via fótons, em vez de tentar criar uma armadilha grande. Enquanto isso, circuitos supercondutores fazem operações bem mais rápidas do que íons capturados, e é mais fácil aumentar o número de circuitos num computador do que o número de íons. Mas os circuitos também são mais frágeis
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 têm vida útil mais curta. E conforme computadores quânticos avançam, eles ainda estarão sujeitos às restrições ambientais necessárias para preservar estados quânticos. Mas apesar de todos esses obstáculos, já é possível fazer cálculos em um campo