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Computação Quântica (V.3, N.12, P.2, 2020)

Tempo de leitura: 6 minutos
#acessibilidade Imagem de uma mão robótica e uma mão humana indo de encontro uma à outra, com os dedos indicadores quase se tocando.

Texto escrito pelos colaboradores Lucas Franciliano da Silva e Gabriel Araújo Duarte Costa para o Festival Estrutura da Matéria

Seja bem-vindo leitor!

Quem nunca ouviu falar em algo quântico e pensou “isso deve ser complicado”? Pois bem, isso é realmente bem complicado, mas não se desespere! Vamos desbravar juntos os segredos da computação e física quântica nesse texto. Você vai descobrir como essa tecnologia vai determinar o futuro da nossa espécie, como pode nos levar a lugares nunca antes imaginados e não, a não ser que ele seja o “Homem formiga” do Universo Cinematográfico Marvel, seu “coach quântico” não tem nada a ver com esse assunto.

Computação Quântica

O que é computação quântica, qual caminho traçamos até essa tecnologia e qual será seu impacto social e tecnológico no futuro?

homem formiga - Computação Quântica (V.3, N.12, P.2, 2020)

#acessibilidade Imagem de um boneco do personagem Homem-Formiga retirando um bloco de uma torre de Jenga e um bloco caindo em cima dele.

O que foi a computação até agora

A ciência da computação surgiu durante a segunda guerra mundial (1939-1945), os alemães usavam um sistema de criptografia chamada de “Enigma”, para se comunicar e ordenar ataques conjuntos entre todo o exército, até que um brilhante matemático britânico chamado Alan Turing desenvolveu uma máquina de descriptografia. Era uma máquina enorme e a primeira que utilizava a teoria dos números para realizar uma operação (essa história é contada no ótimo filme “O Jogo da Imitação”). Essa máquina ficou conhecida posteriormente como Máquina de Turing e sua arquitetura interna serve de modelo ainda nos dias atuais. Após isso o exército americano continuou a pesquisa na área junto com as universidades americanas. No final da Segunda Guerra, em 1945, surgiu o primeiro computador puramente eletrônico conhecido como ENIAC. O ENIAC pesava cerca de 30 toneladas e era usado para calcular trajetórias balísticas, sendo também incorporado em cálculos para viabilizar a produção da bomba de hidrogênio. Em 1956 o fundador da Intel Gordon E. Moore formulou a conhecida lei de Moore, que diz que em um mesmo espaço do processador de um computador a quantidade de Transistores dobra a cada 18 meses, o que significa dizer que a eficiência e desempenho de uma máquina dobra a cada 1 ano e meio. A lei se confirmou até que engenheiros na IBM perceberam que em 2015 essa lei perderia a validade, já que não era mais possível usar o silício em computadores cada vez mais modernos devido a sua instabilidade, teriam assim que procurar outras alternativas como o estudo de nano-fitas de grafeno ou o telureto de urânio, promissor substituto do silício para implementação na computação quântica.

A Computação Quântica

A computação quântica nasce na tentativa de adaptar para a computação os avanços conquistados no campo da física quântica. Basicamente a física quântica estuda os fenômenos que regem o universo microscópico e tenta demonstrar que no mundo subatômico, grandezas físicas possuem propriedades diferentes do mundo macroscópico e não podem ser explicadas pela física clássica, como a dualidade onda-partícula e os valores discretos dos pacotes de energia (fótons). Quântico vem de quantum, que é quantidade e ganhou esse nome pelos quantum de energia (pacotes de energia) do físico Alemão Max Planck, pai da física quântica. A primeira proposta conceitual de um computador quântico é do físico inglês Richard P. Feynman em 1981. Feynman observou que um computador clássico tem limitações físicas e matemáticas que torna cálculos quânticos impraticáveis, então ele se perguntou se um computador fundamentado no princípio quântico não realizaria tais operações. Em 1985 foi formulado o qubits, que caracteriza o estado de superposição dos bits 1 e 0 (sim ou não) do computador clássico, isso quer dizer que suporta ambos os estados 1 e 0 ao mesmo tempo, dobrando sua capacidade de processamento, sendo a chave para os algoritmos quânticos que vieram a partir da década de 90, como em 1994, quando o matemático Americano Peter Shor desenvolveu o algoritmo de Shor que permitia a um computador quântico fatorar números não primos muito mais rápido. Essa aplicação pode ser útil em criptografias, onde para se quebrar uma chave criptográfica um computador clássico levaria milhares de anos, inviabilizando o processo, mas o computador quântico levaria dias ou horas para tal.

Propriedades do computador quântico

Como foi citado anteriormente, o maior diferencial do computador quântico para o clássico é o qubit e sua capacidade de superposição. Aprofundando um pouco mais sobre o tópico, esse fenômeno é possível devido à capacidade de sobreposição quântica, que é explicada pelo princípio da incerteza, ou seja, um elétron, por exemplo, pode estar em todos os estados quânticos teoricamente possíveis, até que ele seja medido. Isso em conjunto com algoritmos de números complexos aplicados à computação, permite que um bit quântico armazene mais de uma informação ao mesmo tempo. Outra propriedade diferente do qubit é o emaranhamento ou entrelaçamento quântico, fenômeno em que as partículas interagem mesmo separadas, independente da distância. Em outros termos, o estado quântico de uma reflete no da outra. Além disso, há as portas quânticas, ou quantum gates, que seriam equivalentes às portas lógicas ou logic gates na computação clássica, são reversíveis ou por outra, é possível obter os bits de entrada a partir dos bits de saída, façanha que não é possível na computação clássica. Isso, por consequência, torna possível a reversibilidade dos circuitos quânticos ou quantum circuits, equivalentes aos circuitos lógicos ou logic circuits, o que eleva o computador quântico em relação ao clássico em níveis absurdos.

Então por que não usamos o computador quântico para tudo que fazemos?

Existem vários fatores que impossibilitam esse texto de estar sendo escrito num computador quântico. O principal deles é o fato de que ainda não sabemos praticamente nada sobre como funciona o computador quântico, assim como sabemos muito pouco sobre a própria física quântica. O tópico é nebuloso e ainda há muito a ser descoberto e desenvolvido, como por exemplo o próprio funcionamento do entrelaçamento quântico, que ainda é misterioso à ciência. Linguagens de programação quânticas ainda têm que ser testadas e direcionadas ao público, entre outras coisas. Além disso, entram na discussão o custo para criar e manter um computador quântico, a delicadeza e sensibilidade dos processos, onde as mínimas vibrações ou variações de temperatura ou pressão podem influenciar, questões de segurança cibernética que envolvem a capacidade do computador quântico de quebrar a criptografia dos computadores clássicos, e assim por diante.

A importância da computação quântica para o futuro

Apesar de todas essas complicações e limitações, o olhar que se tem para a computação quântica é esperançoso para o futuro. Para se ter uma ideia, recentemente (outubro de 2019) a Google anunciou a supremacia quântica. Esse termo foi cunhado pelo físico Americano John Preskill, e significa que um computador quântico realizou uma tarefa inviável de ser realizada por um computador clássico. Essa supremacia foi alcançada com o computador Google Sycamore, com 54 quibits que deve ser resfriado a até 1 Kelvin de temperatura, para reduzir o desbalanceamento nas medidas. Em um teste ele realizou um cálculo de probabilidades em 200 segundos, quando o mesmo problema demoraria 10000 anos para ser realizado em um computador comum. Os dados deste teste são contestados pela IBM, concorrente do Google nesta área. A supremacia quântica, o momento em que uma tarefa que seria impossível para o mais potente computador clássico for realizada em instantes por um computador quântico, é o ápice que inspira o desenvolvimento da computação quântica. E essa quantum supremacy traria consigo a capacidade de realizar simulações, processamento de dados, resoluções de algoritmos em um grau que pode causar um salto tecnológico absurdo na história da humanidade, auxiliando na cura de doenças, desenvolvimento de IA, na logística de informações e até mesmo simular o próprio computador clássico.

Fredkin, Feynman e Deutsch, importantes físicos na área quântica, diziam que a computação é uma área da física, onde a computação quântica é apenas a forma que o universo computa. A computação em si é a computação quântica, e a clássica é apenas um caso especial dela.

Fontes:

Fonte da imagem destacada: Gerd Altmann por Pixabay

Fonte da imagem 1: Johnny Gutierrez por Pixabay

Wagner Jorcuvich Nunes da Silva, Uma introdução à Computação Quântica.

N. David Mermin, Quantum Computer Science An Introduction.

Canal Nerdologia: episódios Computação Quântica e Supremacia Quântica

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