O que é qubit, o bit quântico?

Talvez você já tenha ouvido falar algo sobre o computador quântico e da revolução que a chegada destes equipamentos realizará na computação como conhecemos, mas você saberia dizer qual a sua origem? Nada disso seria possível sem o qubit, a unidade de informação com qualidades quânticas. Ao invés de tratar as informações de maneira isolada, o qubit integra as informações de todos os dados criando novas dimensões para o processamento. Aprenda um pouco mais sobre a informação quântica e suas aplicações.

Através da alocação de elétrons, um bit convencional é capaz de assumir uma única informação como positiva ou negativa, ou ainda 0 ou 1. Toda a computação moderna é construída em cima desta base binária na qual, em essência, toda informação assume apenas duas possibilidades diferentes e de maneira independente das demais.

Também conhecido como qubit ou simplesmente qbit, o bit quântico também assume valores 0 e 1, mas ao contrário do bit comum, suas informações podem ser sobrepostas umas às outras. Enquanto a base binária soma a informação de cada bit, uma sobreposição de qubits resulta na multiplicação de suas possibilidades.

Logo, 1 bit equivale a 1 qubit e armazena uma única informação. Mas enquanto 2 bits juntos armazenam apenas duas informações, 2 qubits armazenam 4 informações diferentes, do mesmo modo que 3 bits armazenam 3 informações contra 8 informações armazenadas por 3 qubits. Enquanto a informação total armazenadas pelos bits é igual à soma direta deles (1 + 1 + 1 + ... = n), a informação armazenada por um conjunto de qubits cresce exponencialmente (2 x 2 x 2 ... = 2^n). Cada bit adiciona uma única informação ao conjunto, já um único qubit dobra a capacidade de informações do mesmo.

Pense em uma rosa-dos-ventos e no trabalho para localizar uma determinada posição em suas 8 direções básicas verificando apenas se cada uma corresponde à alternativa correta ou não, algo similar ao modelo binário.

Exemplo: norte = falso; nordeste = verdadeiro; leste = falso e assim por diante em todas as demais 5 posições. Para cada uma das afirmações é necessário 1 bit e são necessários 8 ciclos do processador para averiguar se cada posição é verdadeira ou não.

Já em um modelo quântico, cada qubit descreve uma determinada porção da esfera para cercar a posição almejada. Como a informação contida em cada um dos bits quânticos tem a capacidade de se integrar às demais, criar dados complexos e lidar com eles se torna muito mais eficiente.

Exemplo: 1 qubit para descrever se a direção encontra-se na porção norte ou sul, outro para localizar se ela está no quadrante leste ou oeste e um terceiro para indicar se o ponto está na parte superior ou inferior do quadrante.

Ao invés de 8 bits para processar a informação, apenas 3 foram necessários para lidar com a mesma informação. Neste exemplo o ganho de eficiência não é tão notável, mas acompanhe a tabela acima para destacar as vantagens do qubit em relação ao bit tradicional em outras proporções.

Para descrever uma determinada posição em uma rosa dos ventos com 8 possibilidades diferentes, a informação dos 3 bits quânticos foram sobrepostos sobre o spin de um único átomo. Por sua vez, sabemos que todo ângulo pode ser dividido ao meio e não existem limites para tais divisões. Pense nisso como continuar subdividindo a rosa dos ventos com a informação de outros qubits. Contando com a devida precisão de medida, não existe qualquer limite físico para o número de divisões e para a integração de novas informações.

O mesmo acontece com o spin de um átomo, em teoria ele pode assumir infinitos ângulos diferentes entre as posições 1 e 0. Se em um exemplo simples com apenas 3 qubits foi capaz de realizar o processo de maneira muito mais eficiente, qual seria a capacidade máxima de um computador quântico?

É exatamente este o ponto que mais desperta o fascínio da ciência, um computador quântico não possui qualquer limite teórico para sua capacidade, um único átomo pode abrigar informações infinitamente mais complexas em seu nível quântico do que um bit comum. Desde que a manipulação dos qubits se torne suficientemente eficaz, computadores dezenas, centenas ou até mesmo milhares de vezes mais rápidos que a mais robusta das máquinas de hoje não é uma realidade improvável.

Imagine um equipamento das dimensões de um palm top ou mesmo um celular sendo capaz de superar o mais avançado dos supercomputadores que existe. Um computador quântico seria capaz de quebrar qualquer criptografia que hoje exige anos em questão de minutos e então estabelecer novos padrões de segurança que jamais poderão ser violados. Agora imagine a sua aplicação em cálculos gráficos ou aprimoramento de tarefas, o resultado seria simplesmente estupendo.

Mas se a tecnologia dos qubits e dos computadores quânticos é tão superior ao sistema binário empregado atualmente, porque é que eles não podem ser vistos em ação? Ainda é muito cedo para tal, na verdade, computadores como este existem apenas no prodigioso cérebro dos estudiosos que desenvolvem esta tecnologia.

Já existem equipamentos que manipulam informações quânticas em laboratórios de pesquisa, mas que não são capazes de lidar com mais do que alguns poucos qubits simultaneamente. Além do evidente aumento de precisão, sob o ponto de vista quântico, outro grande desafio a ser superado é a redução das gigantescas dimensões para que o equipamento possa se tornar doméstico.

Ao menos algo já está certo, o Vale do Silício não precisará mudar de nome. Após estudar o comportamento de materiais muito mais caros em pequena escala, o silício demonstrou se comportar muito bem a natureza exigida para a manipulação quântica e provavelmente continuará sendo o material empregado na nova geração de computadores.

O exemplo ilustrado neste artigo deriva de modelos mais complexos, na prática, a lógica de programação e mesmo a representação do spin não se comportam exatamente assim. Ambos foram simplificados para facilitar a compreensão pelo público leigo ao assunto.