Proposto pela primeira vez na década de 1980, o desenvolvimento dos computadores quânticos percorreu um longo caminho desde a teoria pura até aplicações práticas de hardware. Hoje, o IBM Quantum disponibiliza hardware quântico real, uma ferramenta que os cientistas só começaram a imaginar há três décadas, para centenas de milhares de desenvolvedores.

Quando físicos e engenheiros encontram problemas difíceis, eles recorrem a supercomputadores. No entanto, os supercomputadores também são máquinas baseadas em código binário que dependem da tecnologia de transistores do século XX e têm dificuldade para resolver problemas com alto grau de complexidade. Esses computadores clássicos também estão sujeitos a restrições materiais, como superaquecimento, o que impõe limites rígidos à sua capacidade de processar informações. Há alguns problemas complexos, como a modelagem de átomos individuais em uma molécula, que não sabemos como resolver com computadores clássicos em qualquer escala.

As leis da mecânica quântica ditam a ordem do mundo natural.Computadores que realizam cálculos utilizando os estados quânticos dos bits quânticos devem, em muitas situações, ser nossas melhores ferramentas para compreendê-lo e resolver nossos problemas mais complexos.

Ao estudar computadores quânticos, é importante entender que a mecânica quântica não é como a física tradicional. Descrever os comportamentos de partículas quânticas apresenta um desafio único, já que a maioria dos paradigmas de senso comum para o mundo natural simplesmente carece de um vocabulário para compreender os comportamentos aparentemente contraintuitivos das partículas quânticas.

Um bit clássico só pode existir na posição 0 ou na posição 1. Os qubits, por outro lado, também podem ocupar um terceiro estado conhecido como superposição. Uma superposição representa 0, 1 e todas as posições intermediárias tomadas de uma só vez, para um total de três posições separadas.

Embora os qubits possam codificar três posições separadas, eles ainda são usados para transmitir informações através de um sistema binário. Nesses sistemas, o termo bit pode referir-se tanto ao material ou processo usado para representar um 0 ou 1, quanto à medição desse bit (ou seja, um 0 ou 1).

Na computação tradicional ou clássica, um único bit pode ser considerado como um pedaço de informação binária, notado como 0 ou 1. Computadores modernos geralmente representam bits como um pulso de tensão elétrica ou corrente (ou pelo estado elétrico de um circuito flip-flop).

Nestes sistemas, quando não há corrente fluindo, o circuito pode ser considerado desligado, e este estado é representado como 0. Quando a corrente está fluindo, o circuito é considerado ligado, e este estado é representado como 1.

O próprio termo “bit” é uma junção de “binary digit” (dígito binário), e os bits binários são a base fundamental de toda a computação. Seja ao gravar um vídeo digital, animar um modelo 3D ou usar um aplicativo de calculadora, todos os dados dos sistemas operacionais para o software são criados com código binário, que é uma coleção de bits. Um byte de computador consiste em oito bits, que é o número mínimo de bits necessários para transmitir um único caractere textual em binário.

Os bits podem ser representados eletricamente, passando (ou não) a corrente por meio de um chip de silício, por exemplo. Bits também podem ser representados fisicamente, como um buraco ou a ausência de um buraco em um pedaço de papel, como era usado na antiga computação por cartões perfurados. Qualquer sistema de dois níveis em que o estado do sistema possa ser descrito em apenas uma das duas possíveis posições (por exemplo, para cima ou para baixo, esquerda ou direita, ligado ou desligado) pode ser usado para representar um bit.

Embora as tecnologias quânticas utilizem código binário, os dados quânticos derivados de um sistema quântico — como um qubit — codificam dados de maneira diferente dos bits tradicionais, com algumas vantagens notáveis. Os pesquisadores estabeleceram várias maneiras de criar qubits ou usar sistemas quânticos que ocorrem naturalmente como qubits. No entanto, em quase todas as instâncias, os computadores quânticos requerem refrigeração extrema para isolar qubits e prevenir interferências.

Teoricamente, qualquer sistema quântico de dois níveis pode ser usado para criar um qubit. Um sistema quântico é descrito como de dois níveis quando determinadas propriedades do sistema podem ser medidas em posições binárias, como para cima ou para baixo. Sistemas quânticos de vários níveis também podem ser usados para criar qubits, desde que dois aspectos do sistema possam ser efetivamente isolados para produzir uma medição binária. Assim como os computadores tradicionais podem usar vários tipos de bits, como corrente elétrica, carga elétrica ou furos feitos (ou não) em um pedaço de papel para computação com cartão perfurado, os computadores quânticos podem usar diferentes tipos de bits. Certos bits são mais adequados para determinadas funções, de modo que um computador quântico avançado provavelmente usará uma combinação de tipos de bits para realizar operações diferentes.

Como cada bit pode representar um 0 ou um 1, ao emparelhar dois bits de informação, podemos criar até quatro combinações binárias singulares:

1. 00
2. 01
3. 10
4. 11

Embora cada bit possa ser 0 ou 1, um único qubit pode ser 0, 1 ou uma superposição. Uma superposição quântica pode ser descrita tanto como 0 quanto como 1, ou como todos os estados possíveis entre 0 e 1, pois, na verdade, representa a probabilidade do estado do qubit.

No nível quântico, a probabilidade do qubit é medida como uma função de onda. A amplitude da probabilidade de um qubit pode ser usada para codificar mais de um bit de dados e realizar cálculos extremamente complexos quando combinado com outros qubits.

Ao processar um problema complexo, como a fatoração de um grande número primo, os bits tradicionais ficam limitados por reter grandes quantidades de informações. Já os bits quânticos se comportam de maneira diferente. Como os qubits podem manter uma superposição, um computador quântico que usa qubits pode calcular um volume de dados muito maior.

Como uma analogia útil para entender a diferença entre bits e qubits, imagine que você está no centro de um labirinto complicado. Para escapar do labirinto, um computador tradicional teria que resolver o problema com “força bruta”, tentando todas as combinações de caminhos possíveis para encontrar a saída. Esse tipo de computador usaria bits para explorar novos caminhos e lembrar quais deles são becos sem saída.

Já um computador quântico pode, figurativamente, obter uma visão panorâmica do labirinto de uma só vez, testando vários caminhos simultaneamente e revelando a solução correta. Entretanto, os qubits não “testam vários caminhos” de uma só vez. Em vez disso, os computadores quânticos medem as amplitudes de probabilidade dos qubits para determinar um resultado. Como essas amplitudes funcionam como ondas, elas também se sobrepõem e interferem umas nas outras. Quando ondas assíncronas se sobrepõem, isso elimina efetivamente possíveis soluções para problemas complexos, e a onda ou ondas coerentes realizadas apresentam a solução.

Quando dois qubits estão entrelaçados, ambos existem em uma superposição até que um deles seja medido. Uma vez observado, a superposição quântica de ambos entra em colapso e qualquer qubit não observado assume a posição oposta àquele que foi observado.

Por exemplo, se uma metade de um par de qubits entrelaçados é medida em uma posição 1, o outro qubit pode ser instantaneamente medido como um 0. As implicações do emaranhamento quântico são tão vastas quanto nossa compreensão desse fenômeno é limitada. Basta dizer que os bits tradicionais não ficam emaranhados. Dessa forma, qubits emaranhados parecem poder transferir informações instantaneamente, mesmo através de anos-luz, mais rápido que a velocidade da luz. Embora os qubits não transfiram dados mais rápido que a luz, o emaranhamento quântico pode aumentar drasticamente a potência dos circuitos quânticos.

Diz-se que partículas quânticas possuem coerência quando são suficientemente controladas para funcionar como qubits. Quando um qubit perde essa capacidade, ele é descrito como decoerente. A refrigeração de alta potência necessária para criar um estado de coerência para qubits funcionais é um grande desafio para a computação quântica.

Mesmo nas condições mais frias, os sistemas de qubits também são geralmente suscetíveis a falhas causadas pela decoerência. Felizmente, os avanços no campo emergente da correção algorítmica de erros quânticos têm o potencial de estabilizar sistemas quânticos anteriormente frágeis.