A corrida pelo primeiro computador quântico do mundo

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Robert Schoelkopf está na vanguarda de uma empreitada global para construir o primeiro computador quântico do mundo. Se puder ser produzida, essa máquina vai usar os princípios aparentemente mágicos da mecânica quântica para resolver problemas que os computadores de hoje não conseguiriam solucionar.

Três gigantes da tecnologia mundial — Google, IBM e Intel — estão usando um método iniciado por Schoelkopf, que é professor da Universidade de Yale, e por outros físicos na corrida para construir uma máquina capaz de acelerar significativamente desde a descoberta de um novo remédio até a inteligência artificial. No Vale do Silício, uma startup chamada Rigetti Computing está fazendo a mesma coisa. E apesar de ter permanecido fora do radar até agora, esses quatro projetos quânticos têm outro competidor notável: o próprio Robert Schoelkopf.

Depois que sua pesquisa ajudou a alimentar o trabalho de tantos outros, Schoelkopf e mais dois professores de Yale começaram sua própria empresa de computação quântica, a Quantum Circuits.

Com sede perto de Yale, em New Haven, Connecticut, e US$ 18 milhões em fundos da firma de capital de risco Sequoia Capital e outras, a startup é mais um sinal de que a computação quântica — por décadas um sonho distante dos cientistas de computação do mundo — está mais perto de se tornar realidade.

“Nos últimos anos, tornou-se claro para nós e para pesquisadores em todo o mundo que sabemos o suficiente sobre o assunto para construir um sistema que funcione. Isso é uma tecnologia que podemos começar a comercializar”, conta Schoelkopf.

Os sistemas de computação quântica são difíceis de entender porque não se comportam como o mundo normal em que vivemos. Mas esse comportamento contraintuitivo é o que permite que realizem cálculos em um ritmo que não seria possível em computadores normais.

Qubits

Os computadores de hoje armazenam informação em forma de “bits”, com cada transistor segurando ou um 1 ou um 0. Mas, graças a algo chamado princípio da superposição — comportamento exibido por partículas subatômicas como elétrons e prótons, as partículas fundamentais da luz — um bit quântico ou “qubit” pode guardar um 1 e um 0 ao mesmo tempo. Isso significa que dois qubits podem guardar quatro valores de uma vez. À medida que você expande o número de qubits, a máquina se torna exponencialmente mais poderosa.

Todd Holmdahl, que supervisiona o projeto quântico da Microsoft, diz que imagina um computador quântico como algo que poderia encontrar instantaneamente a saída de um labirinto. “Um computador normal vai tentar um caminho sem saída, depois outro e outro e outro. Um computador quântico pode examinar todos os caminhos ao mesmo tempo”, explica.

O problema é que armazenar a informação em um sistema quântico por mais do que um período pequeno de tempo é muito difícil, e esse “tempo de coerência” curto leva a erros nos cálculos. Nas últimas duas décadas, porém, Schoelkopf e outros físicos têm trabalhado para resolver essa questão usando o que eles chamam de circuitos supercondutores. Eles construíram qubits com materiais que exibem propriedades quânticas quando são resfriados a temperaturas extremamente baixas.

Com essa técnica, mostraram que, a cada três anos mais ou menos, podem melhorar dez vezes o tempo de coerência. Essa relação ficou conhecida como a Lei de Schoelkopf, uma ode brincalhona à Lei de Moore, que diz que o número de transistores em chips de computadores dobrará a cada dois anos.

“A Lei de Schoelkopf começou como uma brincadeira, mas agora a usamos em vários de nossos trabalhos de pesquisa. Ninguém esperava que fosse possível, mas a melhora tem sido exponencial”, conta Isaac Chuang, professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

Esses circuitos supercondutores se tornaram a área principal da pesquisa de computação quântica por toda a indústria. Um dos ex-alunos de Schoelkopf lidera um programa de computação quântica na IBM. O fundador da Rigetti Computing estudou com Michel Devoret, outro professor de Yale por trás da Quantum Circuits.

Em busca da supremacia quântica

Nos últimos meses, depois de formar uma equipe de pesquisadores importantes vindos da Universidade da Califórnia, em Santa Barbara, o Google indicou que está quase pronto para usar o método para construir uma máquina que pode atingir “supremacia quântica” — quando uma máquina quântica realiza uma tarefa que pode ser impossível para um laptop ou qualquer outra máquina que obedece às leis da física clássica.

Outras áreas de pesquisa também são promissoras. A Microsoft, por exemplo, está apostando em partículas conhecidas como ânions. Mas os circuitos supercondutores parecem ser os primeiros sistemas que darão resultados reais.

A crença é que as máquinas quânticas eventualmente vão analisar as interações entre as moléculas físicas com uma precisão que não é possível hoje, algo que pode acelerar de maneira radical o desenvolvimento de novos medicamentos.

O Google e outras empresas também acreditam que esses sistemas podem acelerar de modo significativo o aprendizado de máquina, o campo de ensino em que os computadores aprendem sozinhos a realizar tarefas ao analisar dados ou experimentar determinados comportamentos.

Um computador quântico, no entanto, também pode ser capaz de decifrar algoritmos criptografados que guardam os dados mais importantes de corporações e governos. Com tanto em jogo, não é surpresa que várias empresas estejam apostando nessa tecnologia, incluindo startups como a Quantum Circuits.

A batalha será difícil para as companhias pequenas, no entanto, porque as grandes têm muito mais dinheiro para resolver o problema. Mas as startups possuem suas próprias vantagens, mesmo em uma área de pesquisa complexa e cara como essa.

“Equipes pequenas de pessoas excepcionais podem fazer coisas excepcionais”, explica Bill Coughran, que ajudou a supervisionar a criação da grande infraestrutura de internet do Google e agora está investindo na empresa de Schoelkopf como um sócio da Sequoia. “Eu ainda quero ver grandes equipes dentro de grandes empresas fazerem alguma coisa tremendamente inovadora.”

Embora a Quantum Circuits esteja usando o mesmo método que as companhias maiores, Schoelkopf afirma que sua empresa tem uma vantagem porque está lidando com o problema de uma maneira diferente. Em vez de construir uma grande máquina quântica, está produzindo uma série de pequenas que podem ser colocadas em rede. Ele diz que isso tornará mais fácil corrigir erros nos cálculos quânticos — uma das principais dificuldades na hora de construir essas máquinas complexas.

Cada uma das grandes empresas, no entanto, insiste que possui uma vantagem — e cada uma delas está divulgando seu progresso em alto e bom som, mesmo que uma máquina viável esteja a anos de distância.

Coughran diz que ele e a Sequoia imaginam a Quantum Circuits evoluindo para se tornar uma empresa que pode entregar computação quântica para qualquer negócio ou pesquisador que necessite dela. Outro investidor, Brendan Dickinson, da Canaan, afirma que, se uma companhia como essa desenvolver uma máquina quântica viável, ela se tornará um alvo importante de aquisição.

“A promessa de um grande computador quântico é incrivelmente poderosa. Vai resolver problemas que não podemos nem imaginar hoje”, acredita ele.