"A todo momento surge algo de novo na física, e todo mundo diz uau! Então nos vemos capturados por um redemoinho", afirma Isaac Chuang, sentado em seu escritório, no Centro de Pesquisa Almaden, da IBM, em San Jose, na Califórnia. Na década de 70, o redemoinho era a teoria do caos. No final da década de 80, era a supercondutividade a alta temperatura. E agora? "Computação quântica", diz Chuang, um físico magro, de fala mansa, que desponta como um dos líderes de um campo que soa esotérico e tem um impacto potencialmente enorme.

Um computador quântico opera segundo as regras de incerteza do quantum, lá embaixo, no mundo subatômico, onde nossas intuições cotidianas são violadas no atacado. Esse é um mundo onde um elétron pode estar em dois lugares ao mesmo tempo, onde um núcleo atômico pode estar girando em sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo. É um mundo estranho onde a própria matéria se dissolve num borrão fantasmagórico, assim que você tenta olhar para ela.

E, mesmo assim, esse mundo surrealista é onde você pode realizar computação, insiste Chuang, cujo grupo em Almaden é um dos muitos que demonstraram os princípios básicos disso nos laboratórios. Se ele e seus companheiros pesquisadores puderem, em algum momento, trazer suas demonstrações para máquinas práticas, a recompensa será enorme. computadores quânticos poderiam resolver problemas que bloqueariam suas contrapartidas convencionais, decifrando com facilidade, por exemplo, os mais sofisticados códigos criptográficos atualmente em uso.

Daí o novo redemoinho. "É fácil para a computação quântica soar como um sonho de um teórico fantasioso", diz o físico Neil Gershenfeld, do MIT media Lab. "Mas, simplesmente extrapolando a Lei de Moore, a relação de escala que diz os microchips encolhem por fator 2 a cada dois anos, mais ou menos por volta de 2020 ou 2030 atingiremos 1 bit por átomo. então uma nova fábrica de semicondutores custará o mesmo que todos os PNBs do planeta. Portanto, se realmente queremos manter a velocidade crescente, não existem muitos caminhos a seguir. a incerteza quântica é essencialmente o único recurso que temos e que ainda não foi aproveitado para computação. É a única grande coisa que ainda resta no universo".

Na realidade, quando a computação quântica teve início, ela era um sonho de um teórico fantasioso – de Richard Feynman, mais notavelmente. Dono de um Prêmio Nobel, ele já morreu. começou publicando a idéia em 1981, segundo uma sugestão anterior do físico Paul Benioff, do Laboratório Nacional Argone. Outros seguiram rapidamente a indicação de Feynman. Na época em que Ike Chuang encontrou a computação quântica pela primeira vez, no fim da década de 80, pouco depois de receber seu diploma de física pelo MIT, pelo menos meia dúzia de físicos e cientistas de computação estavam trabalhando ativamente nesse campo. Certamente Chuang foi impactado. "Eu sempre quis saber o que é a informação no sentido físico – entender a física em termos de informação", diz. A computação quântica é uma maneira nova de entender ambos.

"Tomemos este negócio de codificar informações", diz ele. "O mundo subatômico está cheio de opções sim-não que tornam isso facílimo. A maioria das partículas – incluindo elétrons, prótons e mesmo os pacotes efêmeros de luz chamados fótons – possui um tipo de movimento intrínseco rotatório conhecido como spin. Assim, se nosso computador subatômico utilizasse elétrons, por exemplo, você poderia dizer que um elétron girando numa posição representaria o 1 binário, enquanto que um elétron girando na direção oposta representaria o 0. e, uma vez que você codifica a informação, o mundo subatômico também oferece qualquer número de maneiras de processá-las. Manipulando o ambiente magnético dos elétrons, digamos, ou roteando fótons através de fileiras de polarizadores, espelhos e divisores de raio de luz, você poderia sujeitar seus bits quânticos a todas as operações exigidas por um computador digital."

Mas haveria também uma diferença crucial. computadores convencionais seguem as regras da lógica binária, regidos por uma distinção inflexível um-ou-outro; cada bit de informação é verdadeiro ou falso, ligado ou desligado, 1 ou 0. Para reforçar esta distinção, as máquinas convencionais representam cada bit como a presença ou a ausência de alguns zilhões de elétrons reunidos num pequeno transistor de silício, de modo que os zilhões estejam lá ou não estejam.

Mas, uma vez que você desce ao nível de partículas individuais, diz Chuang, quase nada é absoluto. Um elétron, por exemplo, poderia estar girando de uma maneira ou de outra – mas ele também pode existir como uma espécie de mistura de giros (spins). De acordo com as leis da física quântica, você poderia dizer que o elétron tem uma probabilidade de girar de uma forma ou de outra. A menos que você efetivamente faça uma medição e força a questão, você não poderia saber qual é ela: num certo sentido, o elétron em si seria indeciso. e isto, por sua vez, significa que cada bit de informação quântica poderia ser incerta. em vez de ser um-ou-outro, um "qubit" quântico poderia ser ambos-e: representando 0 e 1 ao mesmo tempo. Essa ambigüidade tem uma conseqüência poderosa que se torna mais aparente quando você pensa não em 1, mas em 2 qubits. Estes qubits poderiam existir simultaneamente como uma combinação de todos os números de dois bits possíveis: (00), (01), (10) e (11). Adicione um terceiro qubit, e você poderá ter uma combinação de todos os números de três bits possíveis: (000), (001), (100), (110) e (111). Este tipo de sistema cresce exponencialmente: n qubits podem representar 2n números ao mesmo tempo. Enfileire uns meros 40 qubits e poderá representar todos os números binários, de 0 a mais de 1 trilhão – simultaneamente.

Além disso, diz Chuang, da mesma forma como uma coleção de qubits quânticos poderia representar uma enorme fileira de números ao mesmo tempo, um computador quântico poderia processar toda entrada de dados simultaneamente – a mais perfeita forma de processamento paralelo imaginável. dado o tipo certo de problema e um suprimento suficiente de qubits, um computador quântico poderia superar suas contrapartidas convencionais por muitas ordens de magnitude. "Eu li sobre isso", diz Chuang, lembrando seu primeiro encontro com os artigos de Feynman, por volta de 1987, "e a partir de então eu quis construir um computador quântico."

Mas como? Feynman e os outros teóricos tinham concentrado sua atenção sobre a computação quântica enquanto abstração matemática – e com boa razão. "Construir um computador quântico de verdade é uma tarefa infernalmente difícil", diz Chuang. Tudo depende de certificar-se de que os qubits retenham suas misturas mecânicas quânticas incrivelmente frágeis de uns e zeros – o que os físicos chamam de permanecer "coerentes". Um choque de uma molécula de ar desviada, uma variação de campo magnético, um ricochete de um fóton aleatório, e a coerência desaparece. Deixe isso acontecer num computador quântico e seus qubits instantaneamente mudarão de ambos-e para um-ou-outro – significando que você, repentinamente, se verá olhando para um computador comum cheio de uns e zeros comuns.

"A mecânica quântica desaparece quando você olha para ela", diz Chuang. "Por isso você tem de se certificar de que o computador esteja extremamente bem isolado do resto do mundo." Mas o isolamento também não pode ser total, uma vez que você ainda precisa inserir dados e colher os resultados. "Isso", declara Chuang, "é o pomo da discórdia que paralisa a computação quântica. como você pode controlá-la, se ao mesmo tempo, você tem de deixá-la em paz?"

À medida que a década de 80 virou década de 90, muitos pesquisadores continuaram tentando resolver o problema. Chuang até fez dele o assunto de sua tese de doutorado em Stanford. Mas nada que eles propuseram parecia viável. e, sem nenhuma aplicação atraente à mão, a computação quântica parecia destinada ao mesmo limbo que outras exóticas peças de conhecimento científico.

Dois desenvolvedores – um teórico e outro prático – resgataram a computação quântica da irrelevância, diz o físico do MIT Seth Lloyd. No lado teórico ele estava fatorando o algoritmo descoberto por Peter Shor do Laboratório de Pesquisa da AT&T – uma descoberta que foi direto ao coração da moderna criptografia. Na maioria dos esquemas atuais de criptografia, incluindo esquemas utilizados para enviar números de cartão de crédito e outras informações sensíveis pela Internet, um bisbilhoteiro pode decifrar o código de uma determinada mensagem simplesmente fatorando um número muito grande. Agora, a fatoração de números pequenos é trivial – crianças de escola primária aprendem que 12 = 2 x 2 x 3. Mas fatorar números grandes é um dos problemas quintessencialmente mais difíceis na ciência da computação. Não importa quão inteligente seja o algoritmo, na realidade o tempo exigido para fatorar números cada vez maiores cresce exponencialmente. Vá além de algumas centenas de dígitos e mesmo a capacidade das máquinas mais modernas no mundo será superada. O tempo de fatoração excederá amplamente o tempo de duração do universo.

Ou melhor, isso acontecerá com um computador convencional. Shor provou que um computador quântico poderia fatorar números grandes num prazo que aumenta somente algumas potências do tamanho do número – crescimento rápido, certamente, mas nem remotamente tão explosivo quanto o crescimento exponencial. Na verdade, um computador convencional precisaria rodar por bilhões de anos para fatorar um número de 400 dígitos. Uma máquina quântica poderia fazer o serviço em cera de um ano. a implicação era que códigos "indecifráveis" poderiam ser agora decifrados. e com este anúncio a Agência de Segurança Nacional, o Pentágono e a comunidade de criptografia e na realidade toda a comunidade de computação acordaram par o fato de que a computação quântica não era mais um domínio exclusivo dos teóricos. Peter Shor estava mostrando a possibilidade de uma aplicação real e crucialmente importante.

Nesse meio tempo, no lado experimental, a computação quântica estava começando a mostrar-se mais possível no laboratório. Em 1993, por exemplo, Lloyd trouxe a abstração matemática para a terra quando mostrou como a computação quântica poderia ser realizada por qubits dispostos numa fileira regular – exatamente o tipo de computador quântico que poderia ser efetivamente construído. então, em 1996, Chuang e Gershenfeld, do MIT, tornaram as coisas ainda mais concretas quando, repentinamente, acharam a maneira de construí-lo.

"Fui até o escritório de Ike numa segunda-feira e só sai de lá na sexta", ri Gershenfeld, lembrando-se da conferência sobre computação quântica que o levou à Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e ao Instituto para Física Teórica, onde Chuang tinha uma entrevista de pós-doutorado. "Tivemos aquela sensação, que raramente nos invade, de que havia esta bonita estrutura já existente no mundo e que nós a estávamos vendo pela primeira vez."

Aquela estrutura se tornou aparente assim que eles decidiram esquecer elétrons e fótons e, em vez disso, criar seus qubits no coração do átomo: o núcleo. Na realidade, são elementos construtivos do núcleo – prótons e elétrons – que têm o giro (spin). Enquanto os giros individuais tendem a funcionar aos pares e se cancelarem, em alguns isótopos sobram alguns, deixando um giro líquido numa direção ou noutra.

Os qubits nucleares eram atraentes por diversos motivos. Primeiro: é possível criar um qubit perfeitamente adequado a partir de qualquer isótopo nuclear que tenha um giro – como acontece com muitos. Segundo, na opinião de Gershenfeld: esse é o sistema mais coerente do universo. todo núcleo é protegido contra distúrbios externos por sua densa nuvem de elétrons. Isto significa que, uma vez que você consegue alinhar o giro, ele permanecerá naquela condição por horas ou dias – um eon em tempo de computação. Terceiro: qubits nucleares são incrivelmente fáceis de ser montados. "Em vez de tentar nanofabricar nanoestruturas", diz Gershenfeld, "podemos simplesmente usar aquelas que a natureza nos deu: moléculas." Mais ainda, ele salienta, o giro nuclear dentro de uma determinada molécula tende a interagir muito bem. Tomemos como exemplo o clorofórmio, uma molécula consistente de um átomo de carbono ligado a três átomos de cloro e um átomo de hidrogênio. Quando o núcleo de hidrogênio e o núcleo do carbono estão girando da mesma forma, seus níveis de energia serão mensuravelmente diferentes de quando eles estão girando em direções opostas.

Finalmente, diz Gershenfeld, a tecnologia para manipular estes giros nucleares já está muito madura. Ela é chamada de ressonância magnética nuclear, ou RMN, e é rotineiramente utilizada em análise química e aparelhos de imagem de ressonância magnética hospitalar. É uma simples questão de adaptar espectrômetros RMN comerciais para executar a computação quântica.

Digamos que você queira executar uma operação lógica usando clorofórmio – alguma coisa como: "Se o carbono é 1, então o hidrogênio é 0." Você simplesmente suspende as moléculas de clorofórmio num solvent4e e coloca uma amostra no campo magnético principal do espectrômetro para alinhar os giros nucleares. em seguida, você bombardeia a amostra com um pulso curto de radiofreqüência na freqüência na freqüência correta. O giro do hidrogênio será gira ou não-gira dependendo do que o carbono esteja fazendo – exatamente o que você quer para uma operação se-então. Bombardeando a amostra com a seqüência adequadamente cronometrada deste tipo de pulso, você pode executar um algoritmo quântico completo – sem nunca ter de verificar os giros nucleares e arruinar a coerência quântica.

Portanto, aí está, perceberam Chuang e Gershenfeld: RMN era algo natural para a computação quântica. Eles não estavam sozinhos. Chuang lembra-se de ter "ficado surpreso e deliciado" ao saber que um especialista em RMN da Universidade de Harvard, David Cory, e seus colegas estavam fazendo exatamente a mesma proposta de maneira independente. Porque a entrada de pesquisadores do calibre de Cory no campo constituía mais um endosso da idéia do RMN d que uma rivalidade, acredita Chuang. Em todo caso, há muito trabalho a ser desenvolvido. Nesse ponto, lembra-se Lloyd, com os pesquisadores tendo identificado uma aplicação real para a computação quântica e também com uma técnica viável para fazê-la funcionar, "o inferno inteiro estava solto" no campo. "Repentinamente havia este novo jogo maravilhoso para ser jogado", diz Lloyd.

O jogo só ficou melhor. somente nos poucos últimos anos, por exemplo, shor e outros demonstraram que a computação quântica não precisava ser tão frágil quanto temiam os pesquisadores; uma variedade de esquemas de correção de erro quântico permitirá aos dispositivos desfazer os danos causados por perturbações ambientais e restaurar seus qubits à coerência total. Lev Gover, dos Laboratórios Bell, da Lucent Technologies, descobriu um algoritmo de pesquisa quântica que é substancialmente mais rápido que suas melhores contrapartidas clássicas. O próprio Chuang utilizou RMN para demonstrar o algoritmo de Grover, primeiro num computador quântico de 2 qubits – uma molécula de clorofórmio – e mais recentemente numa molécula de 3 qubits. ao longo do caminho, a parceria de chuang e Gershenfeld expandiu-se num consórcio para pesquisa de computação quântica, incluindo membros do MIT, Stanford, Universidade da Califórnia em Berkeley, IBM e diversos outros parceiros industriais. A equipe de Cory, que está trabalhando numa demonstração de RMN do algoritmo de Shor, ampliou-se da mesma forma para uma colaboração Harvard-MIT. Os dois grupos estão entre aqueles que conseguiram dinheiro junto à Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa – o braço do Departamento da Defesa que inventou a Internet – como parte da primeira iniciativa do governo americano de financiamento para a computação quântica.

Nada disso significa que estaremos trocando nosso micro por laptops quânticos em pouco tempo. a computação quântica está quase no estágio de prova do princípio, com um longo caminho até que seja desenvolvido mesmo o equivalente qubit de máquinas a válvulas da época da II Guerra Mundial como o Eniac. Muito mais provável é que acessórios quânticos a máquinas convencionais – "co-processadores" – realizarão tarefas específicas, da mesma forma que uma placa gráfica realiza as tarefas mais difíceis.

O que exatamente serão estas tarefas, entretanto, é uma questão ainda não-resolvida. O físico do MIT Edward Farhi salienta que o estudo de algoritmos quânticos ainda está em sua infância. Os dois melhores descobertos até agora – o de Shor e o de Grover – serão sem dúvida seguidos por muitos mais, abrindo aplicativos que vão muito além de fatoração e busca. No entanto, diz Farhi, "um computador quântico não é necessariamente rápido, é um dispositivo que ataca problemas de uma maneira diferente. ainda estamos tentando entender o que torna um problema passível daquele tipo de abordagem. Você tem de escolher seu problema com cuidado para aproveitar a mágica quântica".

na prática, acrescenta Farhi, a maneira como co-processadores quânticos serão usados dependerá muito de seu custo. e esta é uma questão complicada. No laboratório Almaden da IBM, por exemplo, o núcleo do computador quântico de Chuang é pequeno e barato: moléculas contendo qubits dissolvidas em algumas gotas de solvente incolor dentro de um tubo de vidro menor que seu dedo mínimo. Mas o espectrômetro MNR que faz funcionar o computador é um cilindro prateado de 30 metros de altura rodeado por grandes maços de fios e canos – a maior parte dos quais necessários para atender ao hélio líquido que resfria os magnetos supercondutores do espectrômetro. Se futuros co-processadores quânticos seguirem esse padrão, eles serão enormes monstros multimilionários que encherão salas inteiras, e que somente poderão ser comprados por governos. Neste caso, os computadores quânticos podem ser restritos a tarefas de segurança como criptografia e coleta de dados de inteligência.

Mas um dispositivo monstruoso como este pode não se inevitável. O grupo de Gershenfeld no Laboratório de Mídia do MIT está trabalhando num computador NMR compacto que funciona em temperatura ambiente. Eles esperam que esse dispositivo seja um protótipo de co-processador quântico que fornecerá energia a pequenos aparelhos baratos – periféricos instalados sobre a mesa como uma impressora ou scanner atual. Se isso provar ser o padrão, então poderemos ver uma nova geração de hackers quânticos trabalhando quase da mesma maneira como faziam seus antecessores no início da revolução do computador pessoal, criando uma profusão de software quântico inovador.

Neste meio tempo, entretanto, Chuang e seus colegas experimentadores estão muito menos preocupados com o tamanho físico de suas máquinas que com a contagem de qubits delas. "No primeiro ano, tínhamos um grande número de máquinas maravilhosas de 1 qubit para todo o lado", diz ele, "Agora, na IBM, temos um computador de 3 qubits, e estamos planejando computadores ainda maiores". Em março, o Laboratório Nacional de Los Alamos anunciou um computador RMN de 7 qubits. Chuang está confiante de que um laboratório ou outro logo estejam demonstrando moléculas de até 10 qubits. entretanto, ele admite que esta será uma tarefa difícil. "Digamos que eu queira uma molécula com determinadas propriedades. Quando eu a desenho e vou aos químicos, eles simplesmente riem, dizendo que isso não é real. Eles a chamam de molécula de físico. Uma complicação é que o carbono, ingrediente-chave de todas as moléculas complexas, quase invariavelmente ocorre como o isótopo carbono 12, que não gira." O computador de clorofórmio de Chuang só funcionava porque suas moléculas eram feitas como o caro e raro isótopo carbono 13, que gira.

Ainda assim, um computador quântico verdadeiramente útil precisará de centenas ou mesmo milhares de qubits. Presumivelmente, diz Chuang, isso significa algum tipo de polímero de cadeia longa. Mas desenvolver o tipo certo de polímero, descobrir como estabilizá-lo e, em seguida, aprender como fazer RMN com ele – tudo isso junto representa muitos anos de pesquisa. E isso se RMN for a resposta final para a computação quântica.

A miríade de possibilidades somente está limitada por sua imaginação, diz Gershenfeld – que é o motivo pelo qual a computação quântica provocou tanta excitação. "Essa parece ser uma ciência inteiramente nova", declara ele. "os cientistas de computação estão sendo obrigados a aprender física, e isto não se ajusta exatamente à sua estrutura intelectual. Os físicos estão sendo obrigados a aprender ciência da computação, o que também não se ajusta exatamente às suas estruturas intelectuais. a computação quântica rompe os limites institucionais de qualquer instituição. E qualquer lado é o mais rico para aprender uma nova linguagem para a descrição do mundo."

Mas talvez um motivo ainda mais profundo para a excitação é a maneira como a computação quântica amplia nossos horizontes intelectuais. "Eu não estou nisso apenas por causa da computação quântica", diz Chuang, "Estou fazendo isso porque tão pouco é conhecido sobre computação em geral. Por cinqüenta anos dirigimos nosso enfoque para uma técnica na computação, isto é, microchips baseados na dicotomia ligado-desligado da lógica binária." A pesquisa da computação quântica, acredita Chuang, busca respostas a questões fundamentais: o que é necessário para realizar a computação – e como podemos manipular as leis da natureza para realizar a computação que queremos? Essa é a questão mais básica levantada pela computação quântica.