Os bits quânticos

A lei de Moore tem data marcada para morrer. Em uma ou duas décadas, o chip de silício estará liquidado. E aí? Será no ano de 2015. Os computadores serão rápidos - realmente rápidos. Mas existe uma caixa preta supercarregada que vai humilhar a corrida do microchip. Ninguém sabe agora como ela será chamada, mas uma coisa é certa: a letra "Q" estará bem na frente. "Q" significa quantum e deve simplesmente substituir o "e" e o "i" como prefixo técnico de escolha. Não conte logo com um qMac, mas mesmo em seu estado embrionário o computador quântico já agita as pessoas. A tecnologia é baseada em dois fatos da vida em nível submolecular. Primeiro, partículas quânticas tais como elétrons podem existir em múltiplos estados ao mesmo tempo. Segundo, as partículas num grupo podem ficar tão entrelaçadas que a ação de uma afeta todas as outras ao mesmo tempo, permitindo que os engenheiros construam circuitos a partir de átomos individuais.

O lendário físico Richard Feynman observou no início da década de 80 que, colocados juntos, esses dois traços abririam a porta para um inconcebível poder computacional. Um QC operacional de apenas algumas centenas de bits poderia superar a monotonia de Moore, dobrando em quantidades astronômicas para certos aplicativos. O que não se sabe é o número de concorrentes que estão lutando para ser os primeiros a produzir uma máquina de hipervelocidade que deixará para trás as patéticas avaliações de desempenho do silício, clássicas do século 20. Alguns, como Bruce Kane, da Universidade de Maryland, estão trabalhando para levar a tecnologia de silício à escala microscópica. Outros, como o veterano da Bell Labs Phil Platzman, querem substituir componentes eletrônicos de estado sólido por uma nova geração de computadores super-refrigerados com líquido.

Zero e um
Hoje o bit é o rei. Um computador convencional é apenas uma série de centenas de milhões de chaves cujas posições ligado-desligado representam os valores 1 e 0. Toda operação executada, seja calculando a gorjeta do garçom, seja simulando a explosão de uma ogiva atômica, é reduzida a ações que alternam as chaves de 0 para 1 e de volta para o zero. Mas no QC o bit é promovido a bit quântico, o qubit, que não precisa escolher entre 1 e 0. Ele pode ser os dois ao mesmo tempo. Uma fileira de memória de n qubits pode representar qualquer número entre 1 e 2n, simultaneamente.

A capacidade de um QC dobra a cada qubit. Pode ser humilhante que o maior QC do mundo tenha apenas 7 qubits e mal possa processar números de um dígito. Mas um QC de 333 qubits poderia realizar operações com qualquer número entre 1 e um googol (10100), valor maior que o número de átomos no universo. Realizar a adição ou multiplicação de qualquer inteiro positivo entre 0 e 10100 levaria quatrilhões de anos num supercomputador, pois este passa um número de cada vez. Mas o QC realizaria o cálculo todo de uma só vez.

A tecnologia básica por trás do protótipo atual de 7 qubits do Laboratório Nacional de Los Alamos pode ser familiar para qualquer pessoa que tenha passado por um exame de ressonância magnética. A RMN funciona em nível subatômico, onde partículas são pequenas o suficiente para obedecer às leis Fuzzy da mecânica quântica e os bits se transformam em qubits. O núcleo de um átomo é uma bola giratória eletricamente carregada, fazendo que se comporte como um magneto de barra. Cada núcleo tem um pólo norte e um pólo sul magnético que se agitam e giram juntos como uma bóia num mar eletromagnético revolto que responde aos choques das ondas contra sua lateral. Atingida a freqüência ressonante da bóia, você pode girá-la como um caiaque e desvirá-la novamente. Dentro da molécula, cada núcleo pode ser vinculado a seus núcleos vizinhos através do emaranhamento - um comportamento quântico um-por-todos-todos-por-um, no qual a ação de um qubit afeta todos os outros que toca. Assim, uma cadeia de átomos pode ser equipada com a lógica condicional - por exemplo, AND, OR, XOR -para criar um computador.

Bifurcação
A computação em RMN é feita projetando pulsos de ondas de rádio afinadas com a freqüência ressonante particular de cada núcleo em moléculas de uma solução líquida, como clorofórmio ou ácido crotônico, e detectando as freqüências ressonantes emitidas pelo alinhamento nuclear resultante. Cada freqüência ressonante do núcleo se altera, dependendo se seus vizinhos estão em seus estados 0 ou 1. Assim, os pulsos de rádio podem ser usados como cães para pastorear os qubits através de um diagrama de fluxo de algoritmo. Cada ramo de um diagrama de fluxo não representa uma escolha "um ou outro", mas uma bifurcação: um estado do computador responde "sim" enquanto outro responde simultaneamente "não", e vice-versa. Para o tipo certo de cálculo, por exemplo, na fatoração de números grandes, essas bifurcações superimpostas criam uma vantagem de velocidade exponencial sobre a lógica clássica baseada no bit. (O maior desafio para o programador é escolher qual das muitas respostas simultâneas deve ser convertida de volta em 1s e 0s para a saída.)

No limite, entretanto, a computação RMN é um beco sem saída. Cada qubit e porta lógica precisa de sua própria freqüência de assinatura ressonante e existem outros problemas envolvendo a inicialização e exibição do sistema. "O RMN parará nos próximos anos em termos de número de qubits", diz o matemático de Los Alamos Emanuel Knill, co-autor da máquina de 7 qubits. "Como no desenvolvimento de computadores clássicos, em algum ponto tivemos de trocar válvulas de tubo catódico por outra coisa."

"Meu sonho é combinar silício e RMN", diz Bruce Kane, pesquisador do Laboratório para Ciências Físicas da Universidade de Maryland. Num artigo de 1998 para a revista Nature, ele propôs usar as sementes da tecnologia da velha guarda para criar uma nova "raça" de dispositivos movidos a quanta. Mas, fora o fato de ter a mesma origem mineral, um QC baseado em silício quase não se pareceria com seu ancestral. A proposta de Kane, diferentemente do RMN, não tem limites previsíveis de tamanho. Ele assume onde o RMN abandona, usando spins nucleares como qubits - num ambiente onde cada spin individual de átomo pode ser isolado e endereçado. Diferentemente do RMN, que lida com sinais de muitos trilhões de moléculas idênticas executadas no mesmo cálculo, o computador quântico de Kane envolveria uma única treliça de átomos cuja dança computacional tenha sido coreografada até o último núcleo e elétron.

Kane preconiza a dopagem de um cristal de silício com átomos de fósforo, de maneira muito parecida como a feita hoje para microchips convencionais. Mas, devido à natureza extremamente delicada das computações quânticas, o fósforo precisaria ser perfeitamente depositado na grade de silício, enquanto o próprio silício precisaria ser 100%. Isso exigiria uma tecnologia de nanofabricação que ainda não existe. O interior de um QC Kane se pareceria com o de computador convencional -exceto que, para cortar qualquer ruído estranho de vibrações de moléculas, ele seria refrigerado até uma fração de grau acima do zero absoluto, adicionando algumas centenas de milhares de dólares em equipamento de refrigeração à lista de peças. Se essa arquitetura de grade pudesse ser dominada para construir uma máquina de 20 ou 100 qubits, as mesmas técnicas poderiam ser aplicadas para montar os QCs de megaqubits que todos sonham.

"A propriedade ideal de um bit quântico é você ser capaz de configurá-lo para um determinado estado", afirma Kane. "Ele sobreviveria por um longo período de tempo, de modo que você poderia efetivamente realizar operações lógicas com ele. Um problema fundamental com o qual estamos lidando é a incoerência quântica. Isso significa que informações quânticas não têm a característica permanente que gostaríamos. Elas tendem a se deteriorar muito rapidamente. Seria preciso encontrar estados quânticos na natureza com propriedades que poderiam durar um longo período."

Jonathan Jones, pesquisador de RMN do Centro de Computação Quântica de Oxford, é otimista. "O mais interessante da proposta de Kane é que ele não rompe qualquer lei da física. O problema é que ainda não podemos realizar experimentos para testar se isso funcionaria", diz. Kane acredita que ele saberá dentro de uma década. "Neste período de dez anos estaremos desenvolvendo as ferramentas. Após isso, alguma coisa deve acontecer rapidamente."

No ano passado, um grupo de pesquisadores, incluindo Kane, publicou um trabalho anunciando uma descoberta em nanofabricação - o posicionamento de átomos isolados de fósforo numa superfície de silício - o que poderia aumentar as chances de que o QC proposto se torne operacional até 2015. O aspecto mais complicado da construção de um QC de silício é o nível de nanomanipulação que precisa ser dominado para tratar e refinar centenas de estados quânticos individuais ao mesmo tempo. É um projeto de engenharia que poderia demandar pesquisa de nanotecnologia por anos e, mesmo assim, falhar. Mas pode não ser necessário. Phil Platzman, do Bell Labs, que aceitou recentemente um cargo de físico na Universidade da Califórnia de San Diego, tem estudado uma abordagem que supera completamente o hardware atual. "Já existe um bom candidato a computador quântico que tem um conjunto facilmente manipulável de qubits com tempos de coerência extremamente longos." Ele escreveu há dois anos num trabalho em co-autoria com Mark Dykman da Michigan State University: "É um sistema de elétrons flutuando na superfície de hélio superfluido a temperaturas muito baixas", tão baixas que a fricção entre os átomos de hélio líquido desaparece.

Elétrons-sobre-hélio, dito de maneira mais curta, têm algumas das propriedades mais favoráveis que a natureza pode oferecer. "É o sistema mais limpo, mais bem definido conhecido de qualquer pessoa", diz Platzman. Os qubits aqui são os elétrons, pois eles flutuam no vácuo, suspensos por uma atração do tipo mola que desenvolvem com a superfície do hélio líquido. O elétron em seu estado de energia mais baixa representa 0, enquanto o primeiro estado excitado da partícula atômica é 1. As impurezas não existem: o sistema inteiro é resfriado até 0,01 Kelvin, onde o hélio é a única substância que permanece líquida. Qualquer impureza solta condensa em forma sólida e se deposita no fundo do tanque - apenas sedimento - enquanto a ação de computação ocorre na superfície do hélio líquido.

"É um sistema estranho", diz Platzman. "Os elétrons estão realmente num vácuo - melhor que qualquer outro que você possa conceber." Assim, a pureza e a manipulação de cada qubit são tão próximas do ideal quanto se poderia esperar. E, porque os elétrons são tão móveis, podem ser separados por distâncias relativamente grandes - os circuitos poderiam ser montados com as técnicas atuais de microfabricação.

Manipulações quânticas
John Goodkind, da Universidade da Califórnia de San Diego, vem implementando as idéias de Platzman e Dykman em laboratório. Ele diz que o método atual que está usando pode produzir fileiras tão grandes quanto nossa hipotética fila de 333 qubits. Entretanto, acrescenta: "Ainda não temos a compreensão teórica suficiente das interações entre tantos qubits para prever sua influência sobre os estados dos bits individuais".

O melhor de tudo: Platzman não acha que levará uma década para conseguir que seu QC de hélio comece a operar na realidade. "Dentro de dois anos, penso que poderemos colocar juntos esses bits e peças. Seremos capazes de realizar números significativos de manipulações quânticas", diz. E não exigirá enormes saltos em nanotecnologia. "Silício é muito, muito bom nos tamanhos atuais de chip. Mas, na escala sobre a qual falamos, precisaríamos saber onde está cada átomo. Bruce Kane está propondo levar o silício a muitas ordens de magnitude além de onde se encontra. Com os elétrons-sobre-hélio, tudo o que sabemos sobre isso agora mesmo deve nos permitir montar um computador funcional."

Se Platzman receia alguma coisa é que seu QC de elétrons-sobre-hélio seja visto como exótico demais. "Muito dos sistemas escalonáveis têm alguma relação com o negócio dos semicondutores - arseneto de gálio ou silício ou germânio", diz ele. "As pessoas querem usar silício, silício, silício - mesmo que alguma outra coisa seja um pouco melhor. Uma imensa quantidade de dinheiro está indo para projetos relacionados com semicondutores", diz ele. E por um bom motivo: a redução no tamanho de componentes de microchip está se aproximando rapidamente do ponto onde as forças quânticas os afetarão. Por que não fazer disso uma virtude? O fim da lei de Moore é o início da era quântica.

A era do QCAD
A computação quântica tem um potencial monstruoso para processamento de alta velocidade, desde a fatoração de números grandes - pense em criptografia - até a classificação e busca em grandes conjuntos de dados ao mesmo tempo. Mas os qubits poderão ser excelentes simuladores, assim como calculadores. Em suas famosas conferências no início da década de 80, na Caltech, Richard Feynman propôs usar computadores quânticos para modelar a física subatômica, uma vez que seus portões lógicos seguiriam as mesmas regras que regem o comportamento no mundo real. Mas os QCs também poderiam chegar na hora certa para salvar o campo de batalha do design molecular, onde ambições próprias de deuses estão limitadas pela potência dos computadores. Embora os químicos de hoje movimentem moléculas no espaço virtual, o hardware clássico tem fortes restrições. Devido à natureza exponencialmente crescente dos relacionamentos entre os átomos numa molécula, os melhores supercomputadores disponíveis podem simular moléculas compostas de, no máximo, 100 átomos. Ainda assim, um polímero típico pode conter milhares delas e uma molécula orgânica de corrente e vínculo, milhões. Imagine um mundo onde arquitetos pudessem desenhar somente aquelas coisas menores que uma caixa de pão. Um computador construído ao redor de qubits aumenta muito seu poder, à medida que os problemas de design molecular crescem em dificuldade, tornando um sistema QC a ferramenta ideal para arquitetos moleculares do futuro. Chamemos isso de QCAD. Poderia ser um dispositivo libertador que permite o pensamento em escala Frank Lloyd Wright em tamanhos moleculares. A abordagem quântica favorecida por Phil Platzman - elétrons flutuando sobre hélio superfluido - poderia ser perfeita para a tarefa. A sugestão de Platzman: usar os qubits não como componentes intercambiáveis de uma máquina abstrata, mas como um conjunto infinitamente manipulável de Lego. Devido ao qubit ser um único elétron seguro - posicionado num vácuo sobre uma superfície líquida uniforme à qual tem uma ligeira atração elétrica que o ancora em seu lugar - ele se transforma num marcador de lugar para um átomo numa molécula, ou, talvez, um ou mais elétrons dentro de um átomo. Alguns qubits podem ser espremidos para mais próximo de bits adjacentes para simular um agrupamento apertado. Outros podem ser suspensos num estado de energia mais alto, ou agitados por uma fonte de energia externa. Usando pulsos de microondas e uma grade de eletrodos acima e abaixo dos qubits, você poderia mover pseudo-átomos como peças de jogo de damas num vasto tabuleiro, para ver como uma molécula se comportaria. Primeiro organize os elétrons e ajuste suas energias em níveis calculados num computador convencional. Em seguida, deixe rolar. A natureza se encarregará do trabalho pesado. "Se ativamos as interações e deixamos a coisa esfriar, então pode parecer um pouco como a configuração da molécula em repouso", explica Platzman. "Se você deseja calcular se a molécula absorve luz ou faz qualquer coisa que deva fazer, pode ter que chutá-la uma ou duas vezes. Você pode ver por quanto tempo ela permanece no alto e quanto tempo leva para voltar. É um sistema analógico real". É provável que somente certos tipos de molécula possam ser projetadas com esse equipamento rudimentar - aquelas com estruturas tridimensionais podem ser mapeadas até a camada bidimensional de elétrons. Mas não há motivo para que a abordagem seja limitada a design molecular. Outros problemas de otimização exponencialmente difíceis - desde a montagem de circuitos até telecomunicações e previsão do tempo - também poderiam ser resolvidos mapeando seus parâmetros até o simulador quântico. A idéia parece rudimentar se comparada aos portões lógicos universais e algoritmos discretos meticulosamente desenvolvidos para computadores quânticos nas duas últimas décadas. Mas a melhor das primeiras aplicações pode situar-se em algum ponto entre o ideal "qubitizado" e a abordagem analógica de elástico.