Computação quântica é mais uma buzzword que está sendo falada por aí. É mais um novo termo entre outros milhares de novos termos relacionados ao mundo da tecnologia que surgem a cada dia. E claro, a computação quântica também promete mudar o mundo. Estamos prestes a vivenciar mais uma revolução! Será mesmo?

Mas a primeira pergunta que devemos fazer é, por que precisamos da computação quântica? Pois é, mesmo com todo o avanço dos processadores nos computadores atuais ainda não é possível fazer muita coisa. Acredita!?

Por exemplo, como descobrir se o número 341 é um número primo? Bom, temos que fatorar 341 por 2, 3, 5, 7 e então por 11 e então descobrir que ele não é primo. Com números baixos esse processo é tranquilo. Mas se você quiser saber se o número 9.584.776.541 é primo, ai complica não é? Até para um computador atual fatorar esse número leva muito tempo! Mas para um computador quântico leva milésimos de segundos.

Você deve estar se perguntando qual o intuito de tentar descobrir se um número é primo ou não. Pois é, mas este é um dos principais fatores da criptográfica atual. Ou seja, a geração de senhas e tokens que você usa pela internet para proteger suas informações (conta e-mail, redes sociais, internet banking e etc) dos hackers.

Este artigo está divido em 4 partes que nos ajudarão a entender o que são os computadores quânticos, como funcionam e se irão mesmo mudar o mundo (de novo).

1 – A Origem da Computação Quântica

Talvez você nunca tenha ouvido falar em computação quântica, mas tenho certeza que você já ouviu falar em física quântica. Um dos conceitos mais notáveis de física quântica é a teoria da superposição quântica. Essa teoria diz que em algumas situações alguns objetos ou mais precisamente algumas partículas podem assumir 2 estados diferentes ao mesmo tempo.

Confuso, não é mesmo? Então vamos simplificar com um exemplo.

O Experimento do Gato de Schrödinger

Em 1935 o físico austríaco Erwin Schrödinger o realizou o experimento do Gato de Schrödinger. O experimento funciona seguinte forma:

Imagine que há um gato em um caixa. Dentro da caixa além do gato há também um frasco com veneno. O veneno se espalhará por todo espaço da caixa caso o mesmo seja quebrado e então matará o gato. Não é possível enxergar dentro da caixa pois o material é extremamente opaco. Então como saber se o gato está vivo ou morto?

Segundo Schrödinger, como não podermos ver dentro da caixa não temos como saber se o gato está vivo ou morto. Então nesta situação temos que pensar que o gato está vivo e morto ao mesmo tempo. Ou seja, um objeto assumindo 2 estados diferentes mesmo tempo.

A Evolução da Computação Quântica

A pesquisa para o desenvolvimento da computação quântica teve início na década de 50 quando pensavam em aplicar as leias da física quântica e da mecânica quântica nos computadores. Em 1981 em um congresso do MIT (Massachusetts Institute of Technology) do físico Richard Feynman apresentou uma proposta para a utilização de sistema quânticos em computadores que teriam então uma capacidade de processamento superior aos computadores comuns.

Mas só em 1994 em New Jersey o matemático Peter Shor desenvolveu o Algoritmo Shor capaz de fatorar grandes número em uma velocidade muito superior aos computadores da época.

Mas só em 2007 no Canadá, dentro dos laboratórios da DWave nasceu Orion o primeiro computador quântico propriamente dito. Na verdade Orion era um processador quântico com 16 qbits que é capaz de realizar tarefas práticas.

Em 2001 a DWave mostrou ao mundo o DWave One, o primeiro computador quântico comercializado da história da humanidade. DWave One possuíam um processador com 128 qbits.

2 – O que é Computação Quântica?

Computação quântica é a ciência que estuda as aplicações teorias e das propriedades da mecânica quântica na ciência da computação. Seu principal objetivo é o desenvolvimento do computador quântico.

As leis da física para objetos menores que o átomo são bem diferentes do objetivo que de podemos ver. As partículas ganham ou perdem energia de forma quantizada em pequenos pacotes de energia. Um único pacote é chamado de quantum e um conjunto de pacotes são chamados de quanta. Quanta é o plural de quantum.

No canal do TensorFlow no YouTube, o Google lançou uma série falando especificamente sobre a computação quântica. O primeiro vídeo da série aborda assuntos sobre o que é, como funciona e o futuro da computação e dos computadores quânticos. Recomendamos assistir:

3 – Como Funciona a Computação Quântica

Para entendermos como os computadores quânticos funcionam primeiro temos que entender como os computadores atuais funcionam. Para não tornar esse artigo técnico demais vamos contextualizar o processo de funcionamento dos nossos computadores com uma analogia a um labirinto.

A Analogia do Labirinto

Imagine que você está preso em um labirinto. Seu objetivo obviamente é encontrar a saída o quanto antes, porém existem muitas opções. É preciso tentar uma por uma. Isso quer dizer que você encontrará diversos caminhos sem saída.

Você vai passar por diversos caminhos e entrar em muitos lugares errados até encontrar o caminho certo e finalmente sair do labirinto.

É exatamente assim que os computadores atuais resolvem os problemas. Apesar de serem rápidos eles só podem resolver uma tarefa por vez. Da mesma forma que só podemos andar um caminho por vez no labirinto.

Um labirinto por maior que seja possui um limite de caminhos. Um computador convencional pode muito bem encontrar a saída muito rápido sim, mas imagine um labirinto com alguns bilhões de caminhos possíveis. Se você pudesse explorar todos os caminhos do labirinto de uma só vez, seria um coisa mais rápido concorda?

É assim que a computador quântico funciona. Ao contrário de um computador atual que realiza tarefas de forma sequencial, ou computador quântico executa diversas tarefas simultaneamente.

Bits e Qubits

O que são Bits?

Bit é a menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida dentro de um computador. O bit é uma informação binária. Ou seja, pode assumir apenas 2 estados, que são representados por 0 (corte de energia ) ou 1 (passagem de energia). Ou o bit assume o estado de 0 ou de 1.

O que são Qubits

Qubit é uma versão quântica dos bits tradicionais porém assim como os bits podem assumir os estados de 0, 1 o qubit pode assumir uma sobreposição dos estados de 0 e 1. Sim, o qubit pode ser 0 e 1 ao mesmo tempo. Assim como no experimento do Gato de Schrödinger e da mesma forma que um elétron pode girar sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo.

Isso significa que os computadores poderão fazer tarefas que nem podemos imaginar ainda. O uso dos qubits pode aumentar exponencialmente o poder de processamento de um computador.

Como as partículas podem estar em vários lugares ao mesmo tempo o processadores quânticos poderiam testar um número altíssimo de soluções ao mesmo tempo encontrando a opção correta infinitamente mais rápido.

Na teoria um qubit pode ser feito de qualquer coisa que haja de forma quântica seja um elétron ou um átomo. Como os qubits podem realizar várias coisas ao mesmo tempo o poder dos computadores aumentação absurdamente.

4 – A Revolução Quântica

Rumores dizem que até 2030 os computadores quânticos serão comercializados normalmente por todo mundo. O poder que estes computadores terão está fora da nossa realidade. Muitos especialistas dizem que os processadores quânticos serão capazes de ultrapassar nossa inteligência, e parece que não estão exagerando.

A capacidade de processamento será milhões de vezes mais poderosa do que os computadores atuais. Só para você ter uma ideia, um processador quântico é 100 milhões de vezes mais rápido do que o processador atual.

Uma tarefa complexa atribuída a um computador quântico que leva 1 segundo para ser concluída levaria aproximadamente 10 mil anos se fosse processada por um computador atual. Sim, DEZ-MIL-ANOS.

O X da Questão

O computador, tablet, celular, qualquer dispositivo que tenha um processador funciona da mesma forma. Transmitindo e processando dados em bits binários. Ou seja, 0 ou 1.

Então se temos 2 bits eles só podem estar em uma das seguintes posições: 00, 01, 11 ou 10. Estas são as 4 combinações possíveis que podemos fazer com 2 bits. Mas enquanto os bits podem estar em qualquer uma dessa posições de cada vez um computador quântico com 2 bits pode assumir estas 4 combinações ao mesmo tempo.

Isso significa que podemos chegar à um resposta ou realizar uma tarefa milhões de vezes mais rápido pois temos o dobro de possibilidades. Se para chegarmos à combinação 1001 precisamos de 4 bits com apenas 2 podemos chegar a mesma combinação com um tempo extremamente menor.

O último exemplo para ilustrar o poder ou o funcionamento dos processadores quânticos é o exemplo da lista de telefônica.

A Lista Telefônica

Imagine que você precisa encontrar um determinado número de telefone em uma lista telefônica. O processo que você realiza é: Procurar o número de forma sequencial página por página. Você lê uma linha de cada vez, uma página de cada vez até que o número seja encontrado. Como explicamos é assim que o processador atual trabalha. Processando um “linha” de cada vez de forma sequência.

Um processador quântico funciona diferente. O poder de processamento é tanto devido aos qubits que ele consegue ler todos as linhas de número de telefone e uma página ao mesmo tempo. Assim solucionando o problema muito mais rápido.

Se realmente estas informações se concretizarem uma revolução muito grande que acontecerá em nossas vidas. O impacto sem dúvida será enorme, tanto para o bem como também para para mal. Abaixo listamos alguns exemplos da revolução quântica.

Exemplos de Aplicações Reais da Computação Quântica

Satya Nadella, diretor executivo da Microsoft, chama a computação quântica dizendo:

É uma das 3 tecnologias emergentes que remodelarão radicalmente o mundo, juntamente com a inteligência artificial e a realidade aumentada.

Mas é mais fácil descrever a importância da computação quântica – isto é, sua importância potencial, porque ela mal existe agora – do que dizer o que é.

1 – Criptografia

As pessoas mais comuns da área associam a computação quântica à criptografia avançada. Os computadores comuns que usamos atualmente inviabilizam a quebra de criptografia que usa um número muito grande de fatoração primária (300 inteiros).

Com computadores quânticos, essa descriptografia pode se tornar trivial, levando a uma proteção muito mais forte de nossas vidas e ativos digitais. Claro, também poderemos quebrar a criptografia tradicional muito mais rapidamente.

2 – Aviação

A tecnologia quântica poderia permitir modelagens computacionais muito mais complexas, como cenários aeronáuticos. Ajudar no encaminhamento e agendamento de aeronaves tem enormes benefícios comerciais para tempo e custos.

Grandes empresas como a Airbus e a Lockheed Martin estão pesquisando e investindo ativamente no espaço para aproveitar o poder da computação e a potencial otimização da tecnologia.

3 – Análise de Dados

A mecânica quântica e a computação quântica podem ajudar a resolver problemas em grande escala. Um campo de estudo chamado análise topológica, onde formas geométricas se comportam de maneiras específicas, descreve cálculos que são simplesmente impossíveis com os computadores convencionais de hoje, devido ao conjunto de dados usado. Com a computação quântica, isso pode ser reduzido a cálculos relativamente simples.

A NASA está analisando a computação quântica para analisar a enorme quantidade de dados que coletam sobre o universo, bem como pesquisas melhores e métodos mais seguros de viagem espacial.

4 – Sistemas de Previsão

A previsão de vários cenários depende de conjuntos de dados grandes e complexos. A simulação tradicional, por exemplo, do clima é limitado. Hoje não podemos prever o clima de 30 dias adiante. Se você adicionar muitos fatores, nos cálculos da previsão do tempo a simulação levará muito mais tempo para evoluir.

Quase 30% do PIB dos EUA é afetado pelo clima de uma forma ou de outra, e ser capaz de prever com precisão teria grandes benefícios econômicos.

5 – Correspondência de Padrões

Encontrar padrões em dados e usá-los para prever padrões futuros é altamente valioso. A Volkswagen está atualmente olhando como eles podem usar a computação quântica para informar os motoristas sobre as condições de tráfego com 45 minutos de antecedência.

Combinar padrões de tráfego e prever o comportamento de um sistema tão complexo quanto o tráfego atual não é possível para os computadores de hoje, mas isso vai mudar com os computadores quânticos.

6 – Pesquisa Médica

Há literalmente bilhões de possibilidades em quanto um poderia reagir em todo o corpo humano e ainda mais quando você considera que este poderia ser um medicamento administrado a bilhões de pessoas, cada uma com pequenas diferenças em sua composição.

Hoje, as empresas farmacêuticas levam mais de 10 anos e, muitas vezes, bilhões de dólares para descobrir um novo medicamento e levá-lo ao mercado. Melhorar o front-end do processo com a computação quântica pode reduzir drasticamente os custos e o tempo para o mercado, reaproveitar drogas pré-aprovadas mais facilmente para novas aplicações e capacitar químicos computacionais a fazer novas descobertas mais rapidamente do que poderia levar a curas para uma série de doenças.

7 – Carros Autônomos

Empresas de carros como Tesla e empresas de tecnologia como Apple e Google estão desenvolvendo ativamente carros sem motoristas. Não só melhorarão o padrão de vida da maioria das pessoas, mas também reduzirão a poluição, reduzirão o congestionamento e trarão uma série de outros benefícios.

Atualmente, o Google e a VW estão usando computadores quânticos para desenvolver a tecnologia de bateria, transporte e autônomos. A Volkswagen já otimizou o fluxo de tráfego para 10.000 táxis em Pequim e está a caminho de novas melhorias com a computação quântica.

Computação Quântica: entenda o que é e como funciona