Os computadores quânticos funcionam através de uma versão quântica dos bits binários que são utilizados nos PCs atuais. Enquanto um bit binário é caracterizado por zeros (0) ou uns (1), um qubit pode ter uma representação de ambos ao mesmo tempo (0 e 1). No sistema tradicional de comunicação de computadores, só é possível usar um número ou outro, seja 0 ou 1, "limitando" assim o poder de processamento.

A ideia dos qubits surgiu da computação quântica, onde são estudadas formas de se aproveitar as propriedades dos estados quânticos como, por exemplo, a superposição, a interferência e o emaranhamento [1]. Existem diversos tipos de computadores quânticos, mas o modelo mais utilizado é o circuito quântico, baseado no bit quântico (qubit), capaz de estar em um estado quântico de 1 ou 0 ou em superposição dos estados 0 e 1 (utilizar ambos ao mesmo tempo).

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Qubits de silício

Em um artigo publicado na revista Nature por pesquisadores da Intel e da QuTech, é dito que uma grande vantagem dos qubits de silício que se tem agora é a possibilidade de fabricação em massa (nível industrial) de "transistores uniformes com comprimentos de porta de várias dezenas de nanômetros e espaçados por 34 nm (aletas) a 54 nm (portas) - tamanhos de recursos que estão bem abaixo do comprimento de onda de 193 nm da luz usada em o processo de litografia". Com isso, é possível produzir, segundo o artigo, circuitos integrados com bilhões de transistores funcionais, conseguindo utilizar técnicas de "fabricação de semicondutores como a de padrões múltiplos de duplicação de pitch, processamento subtrativo, gravuras de plasma (plasma etches) quimicamente seletivo e polimento químico mecânico".

Imagens do processo de fabricação de qubits baseados em silício. Fonte: Artigo Qubits made by advanced semiconductor manufacturing (revista Nature)
Imagens do processo de fabricação de qubits baseados em silício. Fonte: Artigo "Qubits made by advanced semiconductor manufacturing" (revista Nature)

Em processadores quânticos feitos de silício, a informação é transmitida através de um "spin" do elétron, onde há spins para cima e para baixo, representando os zeros e uns. O ajuste desse movimento é feito através de um campo magnético que normalmente é gerado através de fios que passam ao lado dos qubits.

Certamente a ideia dos qubits é muito interessante, mas é muito difícil manter os estados quânticos dos qubits, pois eles sofrem problemas de "quantum decoherence" (decoerência quântica) e "state fidelity" [2]. A decoerência quântica é a perda de "coerência quantica" [3]. Na mecânica quântica, partículas como elétrons são descritas como uma função de onda através da representação matemática do estado quântico de um sistema. Uma interpretação de probabilidade da função da onda é utilizada para explicar diversos efeitos quânticos. Enquanto existir uma relação de fase definida entre os diferentes estados, o sistema é considerado coerente.

Quando falamos de "fidelidade de estados quânticos" (state fidelity) na mecânica quântica, trabalha-se com a medição da "proximidade" de dois estados quânticos [4]. Fala-se na probabilidade de um estado passar por um teste para ser identificado como outro estado.

Devido aos aspectos de "quantum decoherence" e "state fidelity", é necessário aplicar uma "Quantum error correction" (QEC ou correção de erros quânticos) [5]. Isso faz com que não haja erros de informações quânticas devido à decoerência ou a ruídos quânticos (variação aleatória não controlada de um valor esperado, algo indesejado, neste caso). A correção de erros quânticos é algo essencial para se conseguir um bom desempenho na computação quântica, algo que o Google promete resolver até 2029.