Já pensou no poder que teria uma máquina que, em alguns minutos, faria o que outra levaria bilhões de anos? Pois é, tão profundo quanto parece, é nessa dimensão que começamos a debater sobre a computação quântica.

Contexto Histórico do desenvolvimento de computadores quânticos: por quê?

Os atuais Computadores Pessoais (PCs) nos ajudam todos os dias a resolver diversas questões cotidianas. No entanto, problemas de natureza mais profunda tornam-se nem um pouco viáveis de se resolver com PCs comuns.

Acontece que os PCs são desenvolvidos baseados na Computação Clássica – não em Computação Quântica – , que, por sua vez, baseia-se na arquitetura de Von Neumann. Esse modelo de máquina digital proposto pelo cientista consiste na distinção e coordenação de elementos de processamento de instruções e de armazenamento dados. Ou seja, os computadores baseados em Computação Clássica possuem processador e memória separados.

Desse modo, o computador clássico realiza um processamento sempre e somente sequencial.Computação Quântica

No entanto, nem tudo dá pra ser resolvido dessa forma. Não existem PCs clássicos com potência ou velocidade de processamento para suportar tecnologias mais avançadas. Por exemplo, Inteligências Artificiais avançadas não podem ser bem aproveitadas por PCs clássicos.

Assim, existem algumas questões que só podem ser tratadas com um tipo de computador baseado em uma lógica de processamento diferente. Problemas como fatoração de números muito grandes, logaritmos discretos, simulação de problemas de física quântica, criptografia e a busca em listas desordenadas são alguns exemplos de operações que não são nada viáveis através de PCs clássicos. Em geral, problemas com cálculos de mais estavam ficando sem solução.
Por isso, foi necessário criar um PC que resolvesse problemas desse tipo. É aí que entra a computação quântica.
Assim, as pesquisas sobre computação quântica rapidamente se iniciaram por volta de 1950, quando perceberam que um PC comum não seria capaz de fatorar números enormes. Com isso, somente em 2007 foi lançado pela D-Wave o primeiro computador quântico, ORION. Já em 2011, o primeiro computador quântico foi lançado para comercialização.

Mas o que significa Computação Quântica?

A computação quântica é uma forma de aplicação da teoria da Mecânica Quântica dentro da Ciência da Computação. Os computadores quânticos são o resultado disso tudo.
Diferentemente de como era antes, a computação quântica ocupa-se em realizar o processamento simultâneo das instruções. Ou seja, antes os comandos eram executados à medida que cada instrução era lida. Todavia, a computação quântica permite ao PC executar diversas instruções simultaneamente.

Como a Computação Quântica se diferencia da Computação Clássica?

Além disso, a computação quântica criou um novo sistema para o funcionamento lógico e físico por trás das máquinas. É através dos circuitos quânticos que o PC se desenvolve. Estes circuitos têm as mesmas portas lógicas do PC convencional, mas com uma grande diferença: ele tem ainda mais portas lógicas que permitem a construção de um circuito para o teletransporte de dados. A computação quântica utiliza de uma lógica quântica.

Desta maneira, a computação quântica passou a se ocupar de utilizar o que há de mais elementar na natureza. A fim de otimizar a qualidade dos processos realizados pelo PC, passou-se a empregar o conhecimento da mecânica quântica. Assim, os estados quânticos do sistema físico foram pensados e aproveitados para gravar e processar melhor a informação total, gerando dados mais precisos e utilizáveis.

Computação Quântica

Acima, exemplo de circuito quântico. Fonte: https://www.researchgate.net

Uma grande diferença da computação quântica para a computação clássica se dá na maneira mais inteligente como são explorados os recursos físicos disponíveis.

Existe, ainda, outro diferencial, talvez um dos maiores.

Qubit: o bit quântico

Este talvez seja o ponto-chave do destaque da lógica da computação quântica.

Como dito anteriormente, os computadores quânticos funcionam através de um processamento simultâneo, não sequencial. Mas como?

O que ocorre é que esse tipo de PC tem uma unidade de informação básica própria, diferente. Bem como o bit está para os computadores convencionais, o Qubit está para a computação quântica. O bit é um dígito binário 0 ou 1. Esses números podem significar uma série de informações; 0 para sim, 1 para não. 0 para ligado, 1 para desligado. Isso é conhecido como o Sistema de Numeração Binário. Aí, o PC segue sequencialmente uma série de ordens comandadas por bits, o que retarda muito o processo da fatoração dos números grandes demais, por exemplos

Enquanto isso, o Qubit representa uma probabilidade. Por exemplo, na orientação de um elétron representando 0 ou 1, o Qubit tem probabilidade de estar no estado 0 ou no estado 1.

Podendo operar simultaneamente, o Qubit capacita explorar casos em que ele está no estado 0 no estado 1, ou que está no estado 0 ou no estado 1, ao mesmo tempo.

Superposição de estados?

Por exemplo, já ouviu falar do “Gato de Schrödinger“? Esse experimento mental foi realizado pelo físico Erwin Schrödinger, servindo de base para o funcionamento dos Qubits.

No caso, tomamos um gato dentro de um espaço fechado, em que está um frasco de veneno. Nós não conseguimos ver o gato e existe um martelo que pode quebrar esse frasco de veneno a qualquer instante. Caso o frasco quebre, o gato morre intoxicado.

Como nós não vemos se o frasco quebrou e se o gato morreu ou não, nós assumimos que o gato está vivo e morto ao mesmo tempo. Assim, podemos trabalhar com os dois estados ao mesmo tempo. Isso é chamado de Superposição dos Estados.

A seguir, um vídeo produzido pela Google, explicando a respeito do experimento do Gato de Schrödinger.

O grande ponto é que, assim, nós temos a possibilidade de explorar, ao mesmo tempo, os dois estados de cada qubit.

Na prática

Seguindo o fluxo, os qubits ainda podem aparecer ligados, resultando em muito mais respostas. Por exemplo, dois qubits podem existir ao mesmo tempo em dois estados para cada qubit. Ou seja, à medida que o número de qubits aumenta, mais estados temos ao mesmo tempo. Assim, maior a probabilidade de encontrarmos uma resposta, cada vez mais rápido. Logo, com 2 qubits nós temos 4 estados sendo investigados ao mesmo tempo, com 3 qubits, 8 estados, assim seguindo.

A cada novo qubit, dobra-se o número de possibilidades que podem ser testadas simultaneamente.

Computação Quântica

fonte: https://www.youtube.com/watch?v=fLN1zQOPT2E “Computação Quântica | Nerdologia Tech”

Se a solução para o problema a qual estamos procurando forem os qubits 101, podemos encontrá-la com somente uma rodada de computação. Assim, nós não temos mais que testar cada alternativa, uma por uma, sequencialmente, mas tudo numa vez só. É por isso que fica tão simples de realizarmos cálculos pesados e enormes, comparado com o que se dá com computadores clássicos.

Assim, cada qubit a mais na máquina aumenta o seu poder computacional. Isto é, com 50 qubits se ultrapassa o volume de cálculos que é viável para qualquer computador clássico já feito ou próximo de ser feito na história da humanidade.

Algumas aplicações de Computação Quântica

Até 2018, as máquinas de computação quântica vinham apresentando um mínimo de 16 ou 17 qubits funcionando. Isso resulta em 65.536 possibilidades ao mesmo tempo ou em 131.072 possibilidades, respectivamente. O processador quântico ORION, citado anteriormente, possuía 16 qubits. Hoje, é a IBM que fabrica os computadores quânticos mais atuais.

Ainda, o primeiro algoritmo para computadores quânticos foi desenvolvido por Peter Shor. O Algoritmo de Shor, como ficou conhecido, era capaz de fatorar números de maneira mais rápida que os computadores comuns. Hoje, a computação quântica já fatora números inteiros milhões de vezes mais rápido em comparação com os PCs clássicos.

Criptografia: seria o fim?

Computação Quântica

Acontece que, com boas descobertas, surgem também os avanços movidos por más intenções. A computação quântica pode acabar sendo utilizada por hackers para o descobrimento de senhas.

Ou seja, aquela série de números, letras e símbolos – dos cartões, de emails – pode ser muito mais facilmente descoberta através do uso da lógica dos qubits. Trabalhando com possibilidades e um processamento simultâneo, a probabilidade de deduzir senhas é muito maior assim do que testando estado por estado. Assim, os números usados para manter uma chave criptográfica de vários sistemas de criptografia podem ser divididos.

O que ainda teremos que enfrentar?

No entanto, esse novo desdobramento da ciência implica em novos estudos e pesquisas. Por exemplo:

  1. Um dos primeiros problemas que temos de enfrentar é a falta de algoritmos que temos para esse novo meio. Dessa maneira, o que precisamos lembrar é que os algoritmos utilizados para PCs clássicos não se aplicam da mesma forma nos PCs quânticos. Teremos que programar algoritmos para serem testados com qubits.
  2. Nós estamos trabalhando com mecânica quântica, ou seja, teremos que lidar com as restrições que a mecânica quântica nos impõe. Ou seja, estamos sujeitos aos fenômenos quânticos; os sistemas físicos estão sob ação do ambiente, que acaba denegrindo parte da informação armazenada. Ou seja, teremos problemas no mantimento da coerência quântica com o passar do tempo.

Contudo, vários núcleos de pesquisa já têm ido atrás desse conhecimento. No Brasil, temos alguns grupos de destaque, como nas Universidades do Rio de Janeiro e da Paraíba. Ainda, temos como um forte núcleo o Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), uma instituição brasileira do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação e Comunicações.

Existem, também, os núcleos de Hardware Quântico, que costumam desenvolver pequenos protótipos, estabelecendo negócios com grandes investidores estrangeiros.

No entanto, essa evolução é natural na história da Computação. Desde o surgimento dos transistores a velocidade do desenvolvimento só tem aumentado. Acostume-se, pois este é um processo que vamos acompanhar repetidas vezes e mais comumente entre os computadores: a inovação cada vez mais rápida e eficiente.

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