A corrida – que vai mudar o mundo – para chegar ao computador quântico

Nos limites da cidade de Santa Barbara, no estado da Califórnia, entre os orquidários e o mar, fica um discreto armazém, com janelas pintadas de marrom e paredes externas de um cinza sem graça. O lugar praticamente não tem nenhuma sinalização e seu nome nem aparece no Google Maps. Na entrada, uma pequena placa informa: “Google Quantum AI”. Do lado de dentro, o computador está sendo reinventado do zero.

Em setembro passado, fiz uma visita ao local ciceroneado por Hartmut Neven, fundador do laboratório. Neven nasceu na Alemanha, tem 58 anos, é calvo e pertence a essa nova linhagem de híbridos de executivos e místicos. Ele falou sobre nosso futuro quântico com uma mistura de precisão científica e euforia psicodélica. Vestia jaqueta de couro, camisa de linho larga enfeitada com botões, uma calça jeans com bolsos de zíper nas pernas e um par de tênis com velcro que parecia uma bota para caminhar na Lua. “Como minha equipe sabe, nunca perco um Burning Man”, ele me disse, referindo-se ao festival anual de contracultura realizado no deserto do estado de Nevada.

No térreo, no meio do armazém, pendendo de andaimes de metal, havia um aparato que, pelo tamanho e pelo formato, lembrava um lustre de salão de baile. Do alto, desciam cabos que serpenteavam através de uma série de discos dourados até chegar à parte de baixo, onde se encontrava um processador. Chamado de Sycamore, o processador é uma placa retangular crivada de dezenas de portas e faz uso de algumas das mais estranhas propriedades da física para realizar operações matemáticas que contradizem completamente a intuição humana. Depois de conectada, a unidade inteira é colocada dentro de um freezer cilíndrico e resfriada por mais de um dia. O processador depende da supercondutividade, o que significa que, em temperaturas ultrafrias, sua resistência à eletricidade praticamente desaparece. Quando a temperatura em torno do processador fica mais fria do que a existente no mais profundo vazio do espaço sideral, então a computação começa.

Os computadores clássicos falam na linguagem dos bits, que assume os valores 0 e 1. Os computadores quânticos, como os que o Google está construindo, se baseiam em qubits, que assumem os valores 0 e 1, mas também uma combinação complexa de 0 e 1 ao mesmo tempo. Por isso, qubits são exponencialmente mais poderosos que bits e conseguem realizar cálculos que bits normais não são capazes de fazer. Mas, por causa dessa diferença essencial, tudo precisa ser refeito: o hardware, o software, as linguagens de programação e até mesmo o modo como os programadores costumam abordar os problemas. No dia da minha visita, um técnico – que o laboratório do Google chama de “mecânico quântico” – estava trabalhando no computador com uma coleção de pequenas máquinas-ferramentas. Sentado num banco, ele conectava manualmente o cabo dedicado que controla cada qubit.

Postado à nossa frente, o computador quântico era resultado de anos de pesquisa e centenas de milhões de dólares em investimento. E mal funcionava. Os computadores quânticos de hoje falham em quase tudo que tentam fazer. Apesar disso, a corrida para construí-los já atraiu uma enorme concentração de gênios, digna dos grandes desafios científicos da humanidade. Intel, IBM, Microsoft e Amazon também estão construindo computadores quânticos. Assim como o governo chinês. O vencedor da corrida irá produzir o sucessor do microchip de silício, o dispositivo que permitiu a revolução da informação.

Em grande escala, um computador quântico poderia quebrar todos os nossos protocolos de criptografia usados hoje em dia, o que acabaria com a internet. A maioria das comunicações online – das transações financeiras às plataformas de mensagens de texto – é protegida por chaves criptográficas que um computador convencional levaria milhões de anos para decifrar.

Um computador quântico funcional poderia, em tese, decifrar uma chave criptográfica em menos de um dia. E isso é só o começo. Também poderia abrir novas fronteiras na matemática, revolucionar nossa ideia do que significa “computar”. Seu poder de processamento estimularia o desenvolvimento de novos produtos químicos, resolvendo questões ligadas à mudança climática e à escassez de alimentos. E poderia reconciliar as teorias de Albert Einstein com o indisciplinado microuniverso da física de partículas, viabilizando novas descobertas sobre o espaço e o tempo. “O impacto da computação quântica vai ser mais profundo que o de qualquer outra tecnologia até hoje”, disse Jeremy O’Brien, executivo da startup PsiQuantum. Mas, antes, os engenheiros precisam fazer com que a máquina funcione.

Imagine duas pedras jogadas em um lago de águas calmas. Ao atingir a superfície, as pedras criam ondas concêntricas, que entram em colisão produzindo padrões complexos de interferência. No início do século XX, os físicos que estudavam o comportamento dos elétrons encontraram padrões parecidos de interferência de ondas no mundo subatômico. Essa descoberta inaugurou um momento de crise, uma vez que, sob outras condições, esses mesmos elétrons se comportavam mais como pontos individuais no espaço, chamados de partículas. Logo, no que muitos consideram o resultado científico mais bizarro de todos os tempos, a física percebeu que o elétron se comporta como partícula ou como onda, dependendo de haver (ou não) alguém observando. Nascia o campo da mecânica quântica.

Nas décadas seguintes, inventores usaram os achados desse ramo da física para construir todo tipo de tecnologia, incluindo lasers e transístores. No início dos anos 1980, o físico Richard Feynman propôs construir um “computador quântico” para obter resultados que não podiam ser calculados pelos meios convencionais. A reação da comunidade científica da área da computação foi discreta; os primeiros pesquisadores tiveram problemas para conseguir espaço e falar em conferências. A utilidade prática do computador quântico só foi demonstrada em 1994, quando o matemático Peter Shor, do Bell Labs de Nova Jersey, mostrou que a máquina poderia ajudar a quebrar alguns dos padrões de criptografia mais populares. Antes mesmo de publicar seus resultados, Shor foi abordado por um aflito representante da Agência de Segurança Nacional do governo norte-americano. “Essa capacidade de decodificar poderia tornar praticamente irrelevantes as habilidades militares do perdedor e destruir sua economia”, um funcionário da agência escreveu mais tarde.

Hoje, Shor é o presidente do comitê de matemática aplicada do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT, na sigla em inglês). Fui visitá-lo em agosto do ano passado. O escritório era estreito. Um grande quadro-negro se estendia por uma das paredes. A escrivaninha e a mesa transbordavam de papéis de rascunho. Havia caixas de papelão em um canto, lotadas com os rabiscos dele. Uma das caixas era da livraria Borders, que faliu doze anos atrás.

Shor usa óculos ovais, tem uma barriga arredondada, seus cabelos parecem lã branca e a barba é desordenada. No dia em que o conheci, ele estava desenhando hexágonos no quadro-negro, com seus sapatos desamarrados. No vídeo de uma de suas palestras, há o seguinte comentário sobre ele: “Parece exatamente o tipo de cara que inventaria algoritmos.”

Um algoritmo é um conjunto de instruções para um cálculo. Uma criança fazendo uma longa conta de dividir está seguindo um algoritmo, exatamente como um supercomputador que simula a evolução do cosmos. O estudo formal de algoritmos como objetos matemáticos só começou no século XX, e a pesquisa de Shor sugere que ainda existe muita coisa que não entendemos. “Quando se trata de algoritmos, possivelmente estamos no nível que os romanos estavam em relação aos números”, me disse o físico experimental Michel Devoret. Ele comparou o trabalho de Shor aos avanços feitos com números imaginários no século XVIII.

Shor é obsessivo com algoritmos. “Penso neles tarde da noite, no banho, em todo lugar”, diz. “E, ao mesmo tempo, vou rabiscando símbolos engraçados num pedaço de papel.” Às vezes, quando um problema é particularmente atraente, Shor sequer nota se tem alguém falando com ele. “ Provavelmente é muito irritante para os outros. Menos para a minha esposa. Ela já está acostumada.” Neven, do laboratório do Google, se lembra de passear com Shor por Cambridge, onde fica o MIT, enquanto explicava sua pesquisa mais recente. “Ele simplesmente foi andando e atravessou quatro faixas de trânsito”, disse Neven. (Shor me contou que suas duas filhas foram diagnosticadas com autismo. “Claro, eu também tenho algumas dessas características”, disse).

O algoritmo mais famoso de Shor propõe o uso de qubits para “fatorar” números muito grandes em componentes menores. Pedi que explicasse como funcionava. Ele então apagou os hexágonos do quadro-negro. A chave para a fatoração, ensinou Shor, é identificar números primos, que são números inteiros divisíveis apenas por 1 e por eles mesmos. (Cinco é primo. Seis, que é divisível por 2 e por 3, não é primo). De 1 a 100, existem 25 números primos, e conforme a contagem avança, eles aumentam ou diminuem, mas vão sempre se tornando cada vez mais raros. Shor, desenhando uma série de fórmulas compactas no quadro-negro, explicou que certas sequências de números se repetem periodicamente ao longo da reta numérica. Porém, as distâncias entre essas repetições crescem exponencialmente, de modo que um computador convencional tem problemas em calculá-las.

Shor então se virou para mim. “Vou mostrar o cerne da minha descoberta”, disse. “Você sabe o que é uma grade de difração?” Confessei que não. Shor arregalou os olhos de preocupação. Pegou um giz e começou a desenhar um esboço simples de um feixe de luz atingindo um filtro e, depois, difratando nas cores do arco-íris, que ele ilustrou com giz colorido. “Cada cor de luz tem uma onda de comprimento diferente”, disse Shor. “Estamos fazendo algo semelhante. Isso aqui na verdade é uma grade de difração computacional, e estamos separando os diferentes períodos.” Cada cor no quadro-negro representava um agrupamento diferente de números. Um computador clássico, olhando para esses agrupamentos, teria que analisar um por vez. Um computador quântico poderia processar todo o arco-íris de uma só vez.

O desafio é realizar o trabalho teórico de Shor com um hardware. Em 2001, físicos experimentais da IBM tentaram implementar o algoritmo disparando pulsos eletromagnéticos em moléculas suspensas em líquido. “Acho que aquela máquina custou perto de meio milhão de dólares”, disse Shor. “E ela nos informou que 15 é igual a 5 vezes 3.” Os bits da computação clássica são relativamente fáceis de construir – pense num interruptor de luz, que pode ser “ligado” ou “desligado”. Os qubits da computação quântica requerem algo como um botão de sintonia de rádio ou, mais precisamente, vários botões, que precisam ser ajustados para amplitudes específicas. A tarefa de implementar esses controles precisos na escala subatômica continua sendo um problema infernal.

Ainda assim, para não serem pegos de surpresa por aquele dia que os especialistas em segurança chamam de Y2Q,^[1] os protocolos que protegem e-mails, mensagens de texto, registros médicos e transações financeiras devem ser eliminados e substituídos. No início deste ano, o governo Biden anunciou que estava adotando novos padrões de criptografia que são à prova de computadores quânticos, capazes portanto de oferecer proteção contra o algoritmo de Shor. A implementação dos novos padrões, porém, deve levar mais de uma década e estima-se que seu custo chegue a dezenas de bilhões de dólares, mas resultará num paraíso para os especialistas em segurança cibernética. “A diferença entre o Y2Q e o dia do “bug do milênio” é que sabíamos a data em que o bug ocorreria”, me disse o criptógrafo Bruce Schneier.

Preparando-se para o Y2Q, as agências de espionagem estão armazenando o máximo de conteúdo criptografado da internet, imaginando que, no futuro próximo, serão capazes de ler esses dados. “Estamos vendo nossos adversários fazerem isso. Estão copiando nossos dados criptografados e simplesmente deixando tudo arquivado”, disse Dustin Moody, o matemático responsável pelos padrões de criptografia pós-quântica dos Estados Unidos. “É uma ameaça real.” (Quando perguntei se o governo dos Estados Unidos estava fazendo o mesmo, Moody disse que não sabia). Dentro de uma ou duas décadas, a maioria das comunicações desta época provavelmente será exposta. O prazo do governo Biden para atualizar a criptografia é 2035. Um computador quântico capaz de executar uma versão simples do algoritmo de Shor pode aparecer já em 2029.

Na raiz da pesquisa sobre computação quântica está um conceito científico conhecido como “entrelaçamento quântico”. Ele representa para a computação o mesmo que a fissão nuclear representou para os explosivos: uma estranha propriedade do mundo subatômico que pode ser aproveitada para criar uma tecnologia cujo poder não tem precedentes. Se o entrelaçamento pudesse ser encenado no plano da vida cotidiana, seria como um truque de mágica. Imagine que você e um amigo lançam duas moedas entrelaçadas, sem olhar se deu cara ou coroa. O resultado das moedas só será determinado quando você olhar para as moedas. Se você conferir sua moeda e perceber que deu cara, a moeda de seu amigo automaticamente dará coroa. Se seu amigo olhar e perceber que a moeda dele mostra cara, a sua moeda agora mostrará coroa. No mundo subatômico, essa propriedade é válida não importa a distância entre você e seu amigo. Se você viajasse para a Alemanha – ou para Júpiter – e olhasse para a sua moeda, a moeda do seu amigo revelaria instantaneamente o resultado oposto.

Quem acha o entrelaçamento confuso, não está sozinho: a comunidade científica levou quase um século para começar a entender seus efeitos. Como tantos conceitos da física, o entrelaçamento foi descrito pela primeira vez em um dos Gedankenexperiments^[2] de Albert Einstein. A mecânica quântica ditava que as propriedades das partículas assumiam valores fixos apenas depois de serem medidas. Antes disso, uma partícula existia em uma “sobreposição” de vários estados ao mesmo tempo, descritos por meio de probabilidades. (Um famoso experimento mental, proposto pelo físico Erwin Schrödinger, imaginou um gato preso em uma caixa com um frasco de veneno quântico ativado, com o gato “sobreposto” em um estado entre a vida e a morte).^[3] Isso perturbou Einstein, que passou seus últimos anos formulando objeções à “nova física” da geração que o sucedeu. Em 1935, trabalhando com os físicos Boris Podolsky e Nathan Rosen, Einstein revelou um aparente paradoxo na mecânica quântica: se você levasse a sério as implicações da disciplina, deveria ser possível criar duas partículas entrelaçadas, separadas por qualquer distância, que poderiam de alguma forma interagir mais rápido que a velocidade da luz. “Nenhuma definição razoável de realidade poderia permitir isso”, escreveram Einstein e seus colegas. Nas décadas subsequentes, entretanto, as outras previsões da mecânica quântica foram repetidamente verificadas em experimentos, e o paradoxo de Einstein foi ignorado. “Como seus pontos de vista iam contra a sabedoria predominante de seu tempo, a maioria dos físicos considerou a hostilidade de Einstein à mecânica quântica como um sinal de senilidade”, escreveu o historiador da ciência Thomas Ryckman.

Os físicos da metade do século XX se concentraram em aceleradores de partículas e ogivas nucleares; o entrelaçamento recebeu pouca atenção. No início dos anos 1960, o físico norte-irlandês John Stewart Bell, trabalhando sozinho, reformulou o experimento mental de Einstein em um artigo de seis páginas. O trabalho foi publicado na obscura revista Physics Physique Fizika, em 1964. Durante os quatro anos seguintes, seu artigo não foi citado uma única vez.

Em 1967, John Clauser, um estudante de pós-graduação da Universidade Columbia, encontrou o artigo de Bell enquanto folheava um volume encadernado da revista na biblioteca. Clauser havia tido dificuldade com a mecânica quântica e teve que fazer o curso três vezes antes de receber uma nota aceitável. “Eu tinha certeza que a mecânica quântica estava errada”, ele diria mais tarde. O artigo de Bell forneceu a Clauser uma maneira de testar suas objeções. Contra o conselho de seus professores – incluindo Richard Feynman –, ele decidiu realizar um experimento que dava razão a Einstein, provando que a teoria da mecânica quântica estava incompleta. Em 1969, Clauser escreveu uma carta a Bell, informando-o de suas intenções. Bell respondeu com prazer; ninguém jamais tinha escrito a ele para falar sobre seu teorema antes.

Clauser mudou-se para o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia. Ali, trabalhando quase sem orçamento, conseguiu criar o primeiro par de fótons deliberadamente entrelaçados do mundo. Quando os fótons estavam separados por cerca de 3 metros, ele os mediu. O fato de estar observando um atributo de um fóton fez com que, instantaneamente, o outro fóton apresentasse resultados opostos – como no exemplo das moedas. Clauser e Stuart Freedman, seu coautor, publicaram suas descobertas em 1972. Do ponto de vista de Clauser, o experimento foi uma decepção: ele provou definitivamente que Einstein estava errado. Por fim, e com grande relutância, aceitou que as desconcertantes regras da mecânica quântica eram, de fato, válidas, e que aquilo que Einstein considerava uma afronta grotesca à intuição humana era o modo como o universo funciona. “Confesso que até hoje continuo sem entender a mecânica quântica”, disse Clauser, em 2002.

Mas ele também demonstrou que as partículas entrelaçadas eram mais do que um experimento mental – eram reais e ainda mais estranhas do que Einstein pensava. A estranheza delas chamou a atenção do físico Nick Herbert, doutor pela Universidade Stanford e entusiasta do LSD, que se interessava por tudo, inclusive telepatia e comunicação com os mortos. Clauser mostrou a Herbert seu experimento, e Herbert propôs uma máquina que usaria o entrelaçamento para obter uma comunicação mais rápida que a velocidade da luz, permitindo ao usuário enviar mensagens que voltassem no tempo. O projeto de Herbert para essa máquina acabou sendo considerado inviável, mas forçou os físicos a começarem a levar o entrelaçamento a sério. “O artigo errôneo de Herbert foi uma faísca que gerou imenso progresso”, lembrou o físico Asher Peres, em 2003, dois anos antes de sua morte.

Em última análise, a resolução do paradoxo de Einstein não mostrou que as partículas podiam viajar mais rápido que a luz. Mostrou que, em vez disso, as partículas, uma vez entrelaçadas, deixavam de ser objetos distintos e funcionavam como um sistema que existia em duas partes do universo ao mesmo tempo. (Esse fenômeno é chamado de “não localidade”). Desde os anos 1980, a pesquisa sobre entrelaçamento tem levado a avanços contínuos tanto na física teórica quanto na física experimental. Em outubro do ano passado, Clauser dividiu o Prêmio Nobel de Física com dois colegas. Em um comunicado à imprensa, o comitê do Nobel descreveu o entrelaçamento como “a propriedade mais poderosa da mecânica quântica”. Bell não viveu para ver a revolução concluída. Ele morreu em 1990. Hoje, seu artigo de 1964 já foi citado 17 mil vezes.

No laboratório do Google em Santa Barbara, o objetivo é entrelaçar muitos qubits de uma só vez. Imagine centenas de moedas, dispostas em uma rede. A manipulação dessas moedas em sequências coreografadas pode produzir efeitos matemáticos surpreendentes. Um exemplo é o algoritmo de Grover, desenvolvido por Lov Grover, colega de Shor no Bell Labs na década de 1990. “O algoritmo de Grover trata de busca não estruturada,^[4] que é um bom exemplo para o Google”, disse Neven, o fundador do laboratório. “Gosto de pensar nisso como um armário enorme com um milhão de gavetas.” Uma das gavetas contém uma bola de tênis. Em média, um humano fuçando no armário vai encontrar a bola depois de abrir meio milhão de gavetas. “Por incrível que pareça, o algoritmo de Grover pode fazer isso em apenas mil etapas”, disse Neven. “Acho que toda a magia da mecânica quântica pode ser vista em sua essência aí.”

Neven teve uma carreira peripatética. Originalmente formado em economia, ele mudou para a física depois de assistir a uma palestra sobre a teoria das cordas. Fez seu doutorado com foco em neurociência computacional e foi contratado como professor na Universidade do Sul da Califórnia. Na USC, sua equipe de pesquisadores ganhou uma competição de reconhecimento facial patrocinada pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos. Ele então fundou uma empresa, a Neven Vision, que começou a desenvolver a tecnologia que hoje se usa em filtros faciais nas redes sociais. Em 2006, vendeu a empresa para o Google por 40 milhões de dólares. No Google, trabalhou com busca de imagens e com o Google Glass, e trocou para a área da computação quântica depois de ouvir uma história sobre o assunto numa emissora pública de rádio. Seu objetivo final, segundo ele me disse, é explorar as origens da consciência conectando um computador quântico ao cérebro de alguém.

As contribuições de Neven para a tecnologia de análise facial são muito admiradas e, se você algum dia fingiu ser um cachorro no Snapchat, deve agradecer a ele. (Também devemos a Neven as aplicações mais distópicas dessa tecnologia). Mas, nos últimos anos, em artigos publicados nas principais revistas científicas do mundo, ele e sua equipe também revelaram uma série de pequenas e peculiares maravilhas: fótons que se agrupam em grupos; partículas idênticas cujas propriedades mudam dependendo da ordem em que são dispostas; e o “cristal do tempo”, um estado exótico de matéria que está em mutação perpétua. “Existe literalmente uma dúzia de coisas desse tipo, e todas parecem saídas de uma obra de ficção”, disse Neven. Ele me disse também que uma equipe liderada pela física Maria Spiropulu usou o computador quântico do Google para simular um “buraco de minhoca holográfico”,^[5] um atalho conceitual através do espaço-tempo – conquista que recentemente foi capa da revista científica Nature.

Os resultados científicos publicados pelo Google em computação quântica por vezes são alvo de crítica de outros pesquisadores. (Um dos autores do artigo da Nature chamou o buraco de minhoca de “o menor e mais ordinário buraco de minhoca que se pode imaginar”. Spiropulu, que é dona de um cachorro chamado Qubit, concordou. “É muito fuleiro mesmo”, me disse ela). “Mesmo depois de todos esses experimentos, ainda existe um grande debate sobre se, de fato, estamos fazendo o que alegamos”, disse Scott Aaronson, professor especializado em computação quântica da Universidade do Texas, em Austin. “Você tem que fazer força para ver.” A computação quântica também não vai substituir a abordagem clássica tão cedo. “Computadores quânticos são péssimos em contagem”, disse Marissa Giustina, pesquisadora do Google Quantum AI. “Conseguimos fazer o nosso contar até quatro.”

Giustina é uma das maiores especialistas do mundo em entrelaça-mento. Em 2015, enquanto trabalhava no laboratório do professor austríaco Anton Zeilinger, ela executou uma versão atualizada do experimento que Clauser fez em 1972. Em outubro passado, Zeilinger também ganhou o Nobel. “Depois disso, recebi um monte de mensagens dizendo: ‘Parabéns por ganhar o Prêmio Nobel para seu chefe’”, disse Giustina. Ela falou com certa frustração sobre uma máquina que em breve poderá modelar moléculas complexas, mas que, por enquanto, não consegue fazer nem aritmética básica. “É a antítese do que a gente experimenta na vida cotidiana”, disse ela. “É tão irritante e tão bonito.”

O principal problema com os qubits entrelaçados do Google é que eles não são “tolerantes a falhas”. O processador Sycamore, em média, comete um erro a cada mil etapas. Mas, como um experimento costuma requerer muito mais do que mil etapas, os pesquisadores, para obter resultados significativos, precisam executar o mesmo programa dezenas de milhares de vezes, e ainda por cima, precisam, em seguida, usar técnicas de processamento de sinais para refinar uma pequena quantidade de informações valiosas a partir de uma montanha de dados. A situação ficaria melhor se os programadores tivessem como inspecionar o estado dos qubits enquanto o processador está em execução. Acontece que o ato de medir um qubit em sobreposição – o simples ato de medi-lo – força esse qubit em sobreposição a assumir um valor específico, e isso prejudica o cálculo. Essas “medições” não precisam ser feitas por um observador consciente. As próprias interações com o ambiente também causam o mesmo tipo de colapso. “Para expandir a computação quântica, é fundamental conseguir lugares silenciosos, frios e escuros para os qubits viverem”, disse Giustina. Os processadores do Google às vezes falham quando encontram radiação vinda de fora do nosso sistema solar.

Nos primórdios da computação quântica, os pesquisadores temiam que o problema de medição fosse insolúvel. Em 1995, no entanto, Peter Shor mostrou que era possível usar o entrelaçamento também para corrigir erros, reduzindo a alta taxa de falhas do hardware. A pesquisa de Shor atraiu a atenção de Alexei Kitaev, um físico teórico que trabalhava em Moscou. Em 1997, Kitaev melhorou os códigos de Shor com um esquema “topológico” de correção de erros quânticos. John Preskill, um físico teórico do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech, na sigla em inglês), fala sobre Kitaev, hoje seu colega de universidade, quase com reverência. “Ele é muito criativo e tecnicamente muito profundo”, diz Preskill. “É uma das poucas pessoas que conheço que posso chamar, sem a menor hesitação, de gênio.”

Estive com Kitaev em seu espaçoso escritório no Caltech, que se encontrava quase vazio. Ele usava tênis de corrida. Contou que, depois de passar o dia pensando em partículas, caminha por cerca de uma hora para clarear a mente. Em dias difíceis, caminha por mais tempo. Alguns quilômetros ao Norte do Caltech fica o Monte Wilson, onde, na década de 1920, Edwin Hubble usou o maior telescópio do mundo da época para deduzir que o universo estava se expandindo. “Já estive no Monte Wilson umas cem vezes”, disse Kitaev. Quando um problema é realmente difícil, ele evita o Monte Wilson e caminha perto do Monte Baldy, um pico de 3 mil metros que, normalmente, fica coberto de neve.

A computação quântica é um problema da altura do Monte Baldy. “Fiz uma previsão, em 1998, que os computadores estariam prontos em trinta anos”, disse Kitaev. “Não tenho certeza se vamos conseguir.” O esquema de correção de erros de Kitaev é uma das abordagens mais promissoras para a construção de um computador quântico funcional. Em 2012, ele recebeu o Prêmio Breakthrough,  a distinção científica mais lucrativa do mundo. Mais tarde, o Google o contratou como consultor. Até agora, ninguém conseguiu implementar sua ideia.

Juntos, Preskill e Kitaev dão o curso de introdução à computação quântica do Caltech, e a sala de aula está lotada de alunos. Mas, em 2021, a Amazon anunciou que estava abrindo um grande laboratório de computação quântica no campus do Caltech. Preskill então se tornou um Amazon scholar e Kitaev continuou no Google Quantum AI. Os dois físicos, que antes tinham escritórios contíguos, hoje trabalham em prédios separados. Eles continuam tendo um relacionamento amistoso de colegas, mas senti que havia certos tópicos de pesquisa sobre os quais eles não podiam mais trocar ideias.

No início de 2020, cientistas da Pfizer começaram a produzir centenas de medicamentos experimentais destinados ao tratamento da Covid. Em julho daquele ano, eles sintetizaram 7 mm de um produto químico que identificaram como PF-07321332, uma entre as vinte formulações produzidas pela empresa naquela semana. O PF-07321332 era apenas um frasco anônimo em uma geladeira de laboratório até que, em setembro daquele ano, os experimentos mostraram que a formulação era eficaz no combate à Covid em ratos. O produto químico foi posteriormente combinado com outra substância e ganhou o nome de Paxlovid, um coquetel de drogas que reduz em cerca de 90% as hospitalizações relacionadas à Covid. O Paxlovid salva vidas, mas, com a ajuda de um computador quântico, o laborioso processo de tentativa e erro que levou ao seu desenvolvimento poderia ter sido mais curto. “Estamos apenas conjecturando sobre coisas que poderiam ser projetadas”, disse o investidor Peter Barrett, que faz parte do conselho da startup PsiQuantum. “São suposições sobre coisas absolutamente fundamentais para nossa civilização, mas isso não é de forma alguma o ideal.”

Computadores quânticos tolerantes a falhas devem ser capazes de simular o comportamento molecular de produtos químicos industriais com um grau inédito de precisão, ajudando os cientistas a obter resultados mais rápidos. Em 2019, os pesquisadores previram que, com apenas mil qubits tolerantes a falhas, seria possível, pela primeira vez, modelar com precisão o processo de Haber-Bosch, que serve para produzir amônia de uso agrícola. Uma melhoria nesse processo reduziria substancialmente as emissões de dióxido de carbono. O lítio, principal componente das baterias de carros elétricos, é um elemento simples, com número atômico 3. Um computador quântico tolerante a falhas, mesmo primitivo, pode mostrar como expandir sua capacidade de armazenar energia, aumentando a autonomia do veículo. Computadores quânticos poderiam ser usados para desenvolver plásticos biodegradáveis ou combustíveis de aviação livres de carbono. Outro uso, sugerido pela consultoria McKinsey: “simular surfactantes para desenvolver um limpador de carpetes mais eficiente”. “Temos boas razões para acreditar que um computador quântico seria capaz de simular com eficiência qualquer processo que ocorre na natureza”, escreveu Preskill, há alguns anos.

O mundo em que vivemos está na escala macroscópica. É o mundo da cinética comum: bolas de bilhar e foguetes. O mundo das partículas subatômicas está na escala quântica. É o mundo dos efeitos estranhos: interferência, incerteza e entrelaçamento. Na fronteira entre esses dois mundos está o que os cientistas chamam de escala “nanoscópica”, o mundo das moléculas. Na maioria das vezes, as moléculas se comportam como bolas de bilhar, mas, quando se aproxima bastante o zoom, notam-se os efeitos quânticos. Segundo os pesquisadores  é na escala nanoscópica que a computação quântica deve resolver seus primeiros problemas significativos, em produtos farmacêuticos e design de materiais, usando talvez apenas algumas centenas de qubits tolerantes a falhas. E, segundo os analistas, é nesta disciplina – a química quântica – que a computação quântica deve começar a dar dinheiro. A física quântica ganha o Nobel. A química quântica vai pagar a conta.

Os lucros potenciais com royalties de licenciamento vêm animando os investidores. Além dos gigantes da tec-nologia, várias startups estão tentando construir computadores quânticos. O Quantum Insider, uma publicação comercial do setor, registrou mais de seiscentas empresas nessa área. Outra estimativa sugere que 30 bilhões de dólares foram investidos no desenvolvimento da tecnologia quântica em todo o mundo. Muitos desses negócios são especulativos. A IonQ, com sede em College Park, no estado de Maryland, abriu o capital em 2021, apesar de não vender quase nada. Os pesquisadores da IonQ fazem computação com qubits obtidos a partir de uma abordagem conhecida como “íon capturado”, que dispõe numa linha organizada os átomos de um elemento do tipo terra-rara (o itérbio) e, em seguida, os manipula com um laser. Jungsang Kim, diretor de tecnologia da IonQ, me disse que suas armadilhas de íons conseguem manter o entrelaçamento com mais eficácia do que os processadores do Google Quantum AI, mas ele admitiu que, à medida que mais qubits são adicionados, o sistema de laser fica mais complicado. “Melhorar o controlador é a nossa tarefa mais importante”, disse.

Na PsiQuantum, em Palo Alto, na Califórnia, os engenheiros produzem qubits a partir de fótons, as partículas leves da luz. “A vantagem dessa abordagem é que usamos tecnologia de fabricação de silício preexistente”, disse Pete Shadbolt, di-retor científico da em-presa. “Além disso, podemos operar em temperaturas um pouco mais altas.” A PsiQuantum arrecadou quase meio bilhão de dólares. Há outras abordagens, ainda mais estranhas. A Microsoft, com base no trabalho de Kitaev, está tentando construir um “qubit topológico”, que, para funcionar, precisa sintetizar uma quasipartícula.^[6] A Intel está tentando a abordagem de “spin de silício”, que incorpora qubits em semicondutores. A competição levou a uma corrida por profissionais talentosos. “Se você tem pós-graduação em física quântica, pode entrar no mercado de trabalho e receber cinco ofertas em três semanas”, disse Kim.

Mesmo os analistas mais otimistas acreditam que a computação quântica não terá lucros significativos nos próximos cinco anos, e os pessimistas alertam que isso pode levar mais de uma década. Parece provável que muitos equipamentos caros venham a ser desenvolvidos com propósitos que vão se esgotar em pouco tempo. “Você caminha pelo corredor do Museu da História do Computador, em Mountain View, e vê uma linha de retardo de mercúrio”, disse Shadbolt. Linha de retardo de mercúrio é uma engenhoca obsoleta dos anos 1940 que armazenava informações usando ondas sonoras. “Adoro pensar nos caras que construíram isso.”

Até para quem está por dentro, é difícil determinar qual abordagem ocupa a liderança neste momento. “No Vale do Silício, ‘mudar de estratégia’ é o mais perto que você pode chegar da morte”, disse Neven. “Mas, se um dia a gente reparar que os qubits supercondutores estão sendo superados por alguma outra tecnologia, como a fotônica, por exemplo, eu mudo de estratégia num piscar de olhos.” Na verdade, Neven parecia aliviado com a concorrência. O laboratório dele é caro e a computação quântica é o tipo de projeto que prosperou durante a era das baixas taxas de juros. “Devido à atual situação financeira, as startups em nosso campo têm mais dificuldade para encontrar investidores”, disse Devoret, o físico experimental. Mas, enquanto a Amazon estiver investindo em computação quântica, dá para apostar que o Google também vai continuar financiando. Há também o apoio tácito do Estado – o aparato de inteligência dos Estados Unidos colocou a descriptografia quântica como prioridade, independente das flutuações do mercado. Na verdade, a competição mais acirrada de Neven não vem do setor privado, mas do Partido Comunista Chinês. John Martinis, ex-chefe de computação quântica do Google Quantum AI, disse: “Em termos de fabricação de qubits de alta qualidade, daria para dizer que os chineses estão na frente.”

Nos campi da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, correm em paralelo quatro tecnologias concorrentes de computação quântica. Num artigo publicado na revista Science, em 2020, uma equipe liderada pelos cientistas Lu Chao-Yang e Pan Jian-Wei anunciou que seu processador havia resolvido uma tarefa computacional milhões de vezes mais rápido que o melhor supercomputador. Pan é um dos pesquisadores mais ousados em entrelaçamento quântico. Em 2017, sua equipe realizou um experimento que entrelaçou dois fótons em um observatório no Tibete e transmitiu um deles para um satélite em órbita. Depois, os cientistas transferiram atributos de um terceiro fóton na Terra para o fóton do espaço, usando a técnica de “teletransporte quântico”.

Conversei com Lu por vídeo no início do ano passado. Ele entrou na ligação atrasado e todo suado. Estava correndo para casa depois de um teste obrigatório de Covid. De imediato, começou desmentindo as alegações dos seus concorrentes e até as alegações feitas em torno do seu próprio esforço. Divulgou-se amplamente que a China investiu 15 bilhões de dólares no desenvolvimento de um computador quântico. “Não tenho ideia de onde saiu isso”, disse Lu. “Na verdade, talvez seja 25% disso.”

Jiuzhang, o computador quântico fotônico de Lu, é sem dúvida um dos mais rápidos do mundo, mas o cientista já repreendeu seus colegas diversas vezes pelos exageros que cometem quando falam da tecnologia. Em nossa ligação, ele exibiu um videoclipe de uma mulher tentando organizar dez gatinhos em fila. Um gatinho correu para trás e a mulher correu para agarrá-lo. “Esse é o nosso problema”, disse ele. “Queremos controlar vários qubits com alta precisão, mas eles precisam estar muito bem isolados do ambiente.” Enquanto a mulher pegava um gatinho, os outros fugiam.

Lu alertou que os computadores quânticos enfrentam forte concorrência dos chips de silício comuns. Os primeiros computadores eletrônicos, da década de 1940, só precisavam derrotar os humanos. Os computadores quânticos precisam provar que são superiores aos supercomputadores, que podem executar 1 quintilhão de cálculos por segundo. “Vemos poucos algoritmos quânticos em que há prova de aceleração exponencial”, disse. “Em muitos casos, talvez fosse até melhor usar um computador comum.” Lu também contestou a afirmação de Martinis de que a China estava produzindo os melhores qubits. “Na verdade, acho que o Google está na frente.”

Neven concordou. “Em algum momento deste ano, acho que vamos produzir o primeiro qubit totalmente tolerante a falhas”, disse. A partir daí, o Google planeja ampliar seu esforço de computação conectando processadores. Adjacente ao armazém que visitei, havia um segundo espaço, maior, onde a luz do Sol entrava num empoeirado canteiro de obras. Lá, o Google planeja construir um computador que vai exigir um freezer do tamanho de uma garagem para um carro. Mil qubits tolerantes a falhas devem ser suficientes para executar simulações precisas de química molecular. Dez mil qubits tolerantes a falhas podem começar a revelar novas descobertas na física de partículas. A partir daí, os pesquisadores poderiam começar a executar o algoritmo de Shor com força total, expondo os segredos de nossa era. “É bem possível que eu morra antes disso”, disse Shor, que tem 63 anos. “Mas eu realmente gostaria de ver isso acontecer. Tomara que eu viva até lá.”

Esse conteúdo foi publicado originalmente na piauí_198 com o título “O futuro de tudo”.

^[1] A sigla em inglês Y2Q refere-se ao ano em que os computadores quânticos serão capazes de quebrar os atuais padrões de criptografia. (N.R.)

^[2] A expressão alemã Gedankenexperiment – que significa “experimento mental” – é usada para explorar as implicações de uma hipótese, teoria ou princípio por meio da imaginação, quando o experimento real é impossível de ser levado a cabo na prática. (N.R.)

^[3] Ao contrário da interpretação mais comum, Erwin Schrödinger não propôs o experimento do gato para descrever a natureza misteriosa da mecânica quântica, mas com a intenção de demonstrar que os rudimentos da nova ciência eram, na verdade, absurdos – tal como um gato estar vivo e morto ao mesmo tempo. Quando a mecânica quântica começou a se impor, o experimento de Schrödinger acabou se eternizando como explicação popular para se entender as estranhas propriedades do mundo subatômico. (N.R.)

^[4] No jargão científico, a expressão “busca não estruturada” refere-se a uma busca em informações que não podem ser organizadas (estruturadas) em tabelas. Em outras palavras, são dados sem uma formulação bem definida, ou sem um padrão estabelecido.

^[5] O “buraco de minhoca” é o termo usado pelos cientistas para descrever uma espécie de “ponte”, ou de “passagem”, que conecta duas regiões distantes no espaço-tempo. O conceito pode servir para conectar a teoria da relatividade (segundo a qual nada escapa de um buraco negro) com a mecânica quântica (segundo a qual os buracos negros emitem radiação para fora deles).

^[6] Quasipartícula é uma perturbação que se comporta como uma partícula, embora não o seja. Numa analogia rudimentar, é como uma bolha em um copo de cerveja, que não é um objeto independente, mas um fenômeno, que, graças a determinadas características do líquido, mantém uma certa identidade na medida em que sobe e flutua.