É hora de descobrir os segredos da computação quântica

Seria possível estar em dois lugares ao mesmo tempo? De acordo com as teorias quânticas, sim! E que tal um computador que pode realizar centenas de milhares de cálculos em frações de segundo? A física e a mecânica quântica tornam possível pensarmos em um computador quântico tão pequeno quanto um grão de areia e centenas de vezes mais rápido do que todos os computadores existentes juntos.

É difícil acreditar, mas as teorias quânticas são estudadas há um bom tempo, começando por Albert Einstein e sua “Teoria de Tudo”, que visava unir todas as leis da física e da mecânica em uma única teoria. Hoje, esta teoria é conhecida como “Teoria das Cordas”. Ficou interessado em saber o que tudo isto tem a ver com computação?! Então não deixe de ler os parágrafos abaixo!

De modo geral e simplificado, a computação quântica nada mais é do que a aplicação das teorias e propriedades da mecânica quântica ao computador. Claro que isto envolve muito mais coisas do que podemos imaginar, mas em resumo, é disto que se trata.

Um computador quântico (também conhecido como CQ) é capaz de realizar cálculos utilizando propriedades da mecânica quântica, como a teoria da sobreposição, que será explicada com maiores detalhes mais abaixo. Em teoria, os computadores quânticos são assustadoramente mais rápidos do que o PCs que temos hoje, mas a própria física quântica possui seus limitadores.

Um CQ pode ser construído a partir de fótons, nêutrons, prótons, elétrons e até mesmo pósitrons, aquelas partículas presentes no átomo que você estudou nas aulas de química do colégio. Sendo assim, já é de se imaginar que os computadores quânticos, pelo menos os processadores, possuirão um tamanho mais do que diminuto, em escala atômica.

A quantidade de mudanças que seriam causadas pela criação de um computador quântico é enorme. Não há como estimar com precisão quais seriam todas as alterações, mas algumas delas são previsíveis, e sem grandes esforços.

O fato de trabalhar com partículas atômicas torna possível a construção de computadores que sejam tão pequenos a ponto de não serem visíveis a olho nu. Enganam-se aqueles que pensaram que a velocidade de processamento é similar ao tamanho. Os computadores quânticos são centenas de milhares de vezes mais rápidos que todos os PCs e notebooks que existem atualmente juntos.

Tal velocidade se dá justamente pela utilização de partículas atômicas em sua construção, uma vez que elas possuem velocidade próxima à da luz, e o processamento das informações poderia ser feito em total paralelismo, e até mesmo em outra dimensão.

Criptografia

Toda esta velocidade coloca em xeque um dos principais mecanismos de proteção e segurança de dados: a criptografia. Dependendo do algoritmo de criptografia utilizado para a proteção de algum dado, o melhor computador existente atualmente levaria milhares de anos para quebrar a chave e decodificar os dados.

Para um computador quântico realizar esta tarefa, alguns segundos seriam mais do que suficientes para que o código fosse quebrado e os dados revelados. A única maneira de contornar este problema seria a criação da criptografia quântica, considerada totalmente segura e praticamente inquebrável.

Problemas clássicos

Toda esta velocidade quântica é realmente útil na solução de apenas três problemas que os computadores atuais não são capazes de fazer em tempo hábil: fatoração de números inteiros com milhares de bits, logaritmo discreto e simulação de física quântica.

Para que um computador com a tecnologia atual resolvesse a fatoração de um número realmente grande, por exemplo, seria necessário ter uma máquina com tamanho maior ao Universo do qual temos conhecimento, ou seja, algo realmente inviável.

Outro problema que seria facilmente resolvido por um computador quântico diz respeito à busca de dados e informações em um banco de dados totalmente desordenado. O que poderia levar anos nos computadores de hoje, um PC quântico resolveria num piscar de olhos.

Para que um computador quântico funcione, todos os seus componentes e unidades precisam ser modificados de maneira a se tornem quânticos também. Pensando assim, o bit, da computação convencional, ganhou sua versão quântica, denominado qubit.

A principal diferença do bit para o qubit diz respeito aos valores que eles podem armazenar. Enquanto o bit só pode ter o valor 1 ou o valor 0, o qubit pode conter os valores 1, 0 ou 1 e 0 ao mesmo tempo. Você deve estar se perguntando: “Como isto é possível?”. Bom, isto é a propriedade quântica chamada sobreposição, a qual diz ser possível uma partícula estar em dois ou mais estados ao mesmo tempo.

Como citado anteriormente, um computador quântico pode ser concebido utilizando partículas muito pequenas, desde que elas sigam os princípios da mecânica quântica. É possível construir os PCs com fótons, que podem estar em mais de um lugar ao mesmo tempo, ou ainda prótons, nêutrons e outras partículas atômicas e subatômicas que admitem mais de um estado simultaneamente.

A utilização destas partículas como substitutas dos cristais de silício permitem a construção de máquinas extremamente pequenas, a ponto de não conseguirmos vê-las, mas com um poder computacional incalculável. Isto porque, ao invés de tratar as informações de maneira isolada e sequencial, o qubit integra as informações de todos os dados criando novas dimensões para o processamento. Ou seja, os dados são processados em mais de uma dimensão.

A maior dificuldade na criação de computador quântico está justamente no que torna isto possível: a sobreposição. Isto porque a sobreposição é muito sensível e qualquer microrruído eletromagnético pode alterar o estado do qubit e fazer com que a informação que ele continha seja perdida.

Além da instabilidade da sobreposição, outro problema enfrentado pelos cientistas é o superaquecimento das máquinas. Se você acha que seu computador esquenta demais, deveria tentar mexer com átomos e elétrons.

Se você ficou curioso em saber como o qubit trabalha, não deixe de acessar o artigo “O que é qubit, o bit quântico?”. Nele é possível encontrar muito mais informações sobre o “bit quântico”.

Antes de dar continuidade ao conteúdo do artigo, é preciso explicar com maiores detalhes o conceito de sobreposição.

Morto-vivo não, morto E vivo!

É difícil imaginar que alguma coisa possa estar em vários estados ao mesmo tempo, mas quando se trata de partículas tão pequenas quanto os fótons, prótons e nêutrons, isto é muito mais comum do que se pode imaginar. O mais interessante é que, além de assumir vários estados ao mesmo tempo, as partículas podem, em teoria, estar em diferentes tempos também (presente, passado e futuro).

Existe uma metáfora, chamada o gato de Schrödinger, que ajuda a compreender um pouco melhor este assunto. Ela diz que, se um gato está dentro de uma caixa, ele possui 50% de chances de estar morto e 50% de chances de estar vivo. De acordo com a mecânica quântica, até que a caixa seja aberta e o gato seja observado, ele está morto e vivo ao mesmo tempo.

O ato de observar faz com que as partículas entrem em “colapso” e assumam um de seus estados apenas, e não ambos. Por exemplo, no momento em que a caixa citada acima é aberta e o gato observado, ele irá assumir um de seus estados apenas (vivo ou morto). Ou seja, enquanto a caixa estiver fechada, o gato está a salvo.

Um grupo de pesquisadores da State University of New York conseguiu fazer experimentos os quais comprovassem que uma partícula está em dois estados ao mesmo tempo sem que fosse preciso observá-las. Assim, o colapso pode ser evitado e o experimento realizado sem interferências.

Continuando...

Um computador quântico abre muitas possibilidades para a resolução de problemas complexos. Isto, graças ao chamado paralelismo quântico. Enquanto um computador pessoal atual trabalha com processamento serial, ou seja, em sequência, os computadores quânticos permitem o processamento paralelo.

É justamente este paralelismo que torna possível o processamento de centenas de informações e dados ao mesmo tempo, sem que seja preciso centenas de processadores, como na computação clássica.

Em teoria, o funcionamento de um computador quântico seria da seguinte forma. Vamos supor que você possui uma agenda com mais de dez mil registros telefônicos no computador. Se você quiser ligar para um dos contatos, terá que pesquisar pelo número de telefone da pessoa, certo? Se estivéssemos falando de um computador “convencional”, até que a pesquisa retorne uma resposta, é possível que você já tenham se passado muitos anos. Mas, lembre-se que estamos tratando da quântica neste artigo.

Então, como diria o Dr. Quantum: “Vamos ficar quânticos!”. Ao digitar o nome da pessoa para a qual você deseja ligar, todos, ou pelo menos boa parte dos registros presentes na sua agenda serão carregados e comparados ao nome que você digitou, ao mesmo tempo, em paralelo. Com isto, o tempo de resposta é muito menor do que nos PC normais.

Um sistema distribuído trabalha com um princípio parecido, mas ao invés do processamento em um mesmo processador, como na computação quântica, os dados são divididos em várias máquinas, para serem processados separadamente.

Para ficar mais claro

Um sistema distribuído utiliza o processamento de vários computadores para obter a resposta desejada no menor tempo possível. O funcionamento de um sistema desse tipo, em teoria, é bem simples. Se você estiver realizando um cálculo muito pesado em seu computador, e a máquina do seu vizinho estiver ociosa, por exemplo, o sistema envia parte dos dados para este computador ocioso e aguarda a resposta.

Se vários computadores estiverem ociosos pelo mundo, o princípio de um sistema distribuído é justamente enviar um pouco de informação para cada máquina. Assim, não há sobrecarga de um computador e a resposta é encontrada bem mais rapidamente.

A história do computador quântico começa em 1981, quando Richard Feynman mostrou em uma conferência realizada no MIT que sistemas quânticos poderiam ser úteis na simulação de experimentos da física quântica.

Em seguida, foi a vez de David Deutsch, na Universidade de Oxford, escrever seu nome a história quântica. Ele descreveu, no ano de 1985, o primeiro computador quântico universal, capaz de simular o funcionamento de outro computador quântico.

Depois deste feito, o mundo quântico ficou um pouco quieto, voltando a ser notado em 1994, quando Peter Shor descobriu um excelente algoritmo que permitia a um computador quântico fatorar grandes números rapidamente. Tal feito deu-se em Nova Jersey, no Bell Labs da AT&T. Isto deu origem ao que hoje é conhecido como Algoritmo de Shor o qual permitiria a quebra de muitos sistemas criptográficos, além de resolver os problemas da fatoração e do logaritmo discreto.

No ano de 1996, também no Bell Labs, Lov Grover descobriu o algoritmo de pesquisa em bases de dados quânticas. Mas foi somente em 1996 que o primeiro esquema para correção de erro quântico foi proposto pela comunidade científica. Também nos anos 90, foi construído o primeiro computador quântico com base em montagem térmica. Tal façanha foi realizada no MIT.

O Orion, um computador híbrido com processador quântico de 16 qubits, foi anunciado em 2007 pela empresa canadense D-Wave. Este computador teria capacidade de resolver problemas lógicos, encontrar soluções para jogos de Sudoku, entre outras tarefas simples. A Universidade de Yale, nos Estados Unidos, não ficou para trás e criou o primeiro computador quântico rudimentar, o qual também executa apenas operações simples, mas que é mais um passo em direção ao sucesso quântico.

Até o presente momento, apenas alguns elementos dos computadores quânticos foram criados, como algumas portas lógicas. Diversas universidades e empresas espalhadas pelo mundo concentram esforços para a criação de uma máquina quântica que demonstre com maior eficácia o poder de um computador deste tipo.

No entanto, especialistas afirmam que a concretização de um computador quântico ainda está bem longe de acontecer, mesmo que seja em pequena escala. No Brasil, há diversos núcleos de pesquisa em universidades públicas (Rio de Janeiro e Paraíba). Além disso, há pesquisadores trabalhando no desenvolvimento de softwares quânticos, mas ainda não chegaram a resultados promissores.

Há também um grupo de pesquisadores no LNCC (Laboratório Nacional de Computação Científica) dedicado exclusivamente para as pesquisas na área quântica da computação. Segundos estes pesquisadores, a área de hardware quântico no Brasil trabalha com protótipos, mas cooperam principalmente com os grandes grupos internacionais de pesquisas e são reconhecidos pelo mundo afora.

Por enquanto, as versões desenvolvidas dos computadores quânticos não possuem nenhuma aplicação comercial. Alguns cientistas acreditam que as primeiras máquinas que estejam de fato funcionando serão empregadas no meio acadêmico para simulações da física e da mecânica quântica. Resta saber se as empresas irão aceitar isto sem questionar.

Vocês já imaginaram ter um computador quântico em casa? Rodar aquele jogo que você adora não seria mais problema. Mas será que toda esta tecnologia estará ao nosso alcance logo? Só nos resta esperar e ver o que vem por aí!