Espere! Não desista deste texto ainda. Não deixe este nome complicado no título te assustar. Eu prometo que não é preciso ser nenhum Sheldon Cooper para entender a Computação Quântica, e este conceito é revolucionário demais para você simplesmente deixa-lo de lado, ele promete mudar todo o paradigma da computação como a entendemos hoje. Bora descobrir de que se trata então?
As primeiras ideias sobre a Computação Quântica foram introduzidas por Paul Benioff e Richard Feynman no início de 1980, e, como o nome sugere, ela está diretamente ligada à Física Quântica. Na verdade, ela é ciência que estuda as aplicações das propriedades da Mecânica Quântica na Ciência da Computação. O que ela promete? Capacidade de processamento exponencialmente maior do que oferecem os processadores clássicos de hoje.
Computação Clássica vs Computação Quântica
“Enquanto na computação clássica os bits podem assumir os valores de 0 ou 1, na computação quântica existe a ideia de um estado quântico que pode armazenar 0, 1 ou uma espécie de mistura entre eles, uma superposição desses valores [estes bits quânticos são chamados de qubits]. Dessa forma, a computação quântica pode calcular várias combinações de 0’s e 1’s ao mesmo tempo, fazendo com que os algoritmos quânticos sejam executados mais rapidamente que seus análogos clássicos“ – explica Nicolas Melo de Oliveira, que desenvolveu sua tese de mestrado voltada à Computação Quântica no Centro de Informática da Universidade Federal de Pernambuco.
Imagine que você precisa encontrar um nome em uma lista telefônica com centenas deles. Com a computação clássica, os processadores de hoje precisariam ler nome por nome, um após o outro, sequencialmente até encontrar o nome correto. Já os processadores quânticos trabalham de forma simultânea, ou seja, todos os nomes da lista seriam lidos ao mesmo tempo e o correto seria encontrado significativamente mais rapidamente do que com a utilização do método anterior.
Um pouco de Física
Para entendermos como os qubits podem assumir o estado de 0 e 1 ao mesmo tempo, precisamos entender um conceito da Física: sobreposição. O experimento mais utilizado para explicar este conceito é o do gato de Schrodinger, que leva o mesmo nome do físico que desenvolveu a teoria em 1935. Nele, um gato estaria fechado dentro de uma caixa junto com um frasco de gás venenoso, que tem 50% de chances de ser dissipado e matar o gato e 50% de chances permanecer no frasco e o gato se manter vivo. Enquanto a caixa não for aberta, não é possível saber se o gato está vivo ou morto. Na teoria de sobreposição, até que a caixa seja aberta o gato assume os dois estados, ele está vivo e morto ao mesmo tempo. O ato de abrir a caixa fará com que a realidade colapse determinando um estado único para o gato, ou seja, a observação força a decisão da natureza. O experimento conclui que o simples ato de observar um estado já o altera. Isso é possível graças à dualidade onda-partícula, mas não entrarei em tantos detalhes assim, se você quiser entender esta propriedade pode assistir a esse vídeo aqui. Mas fique tranquilo, o experimento de Schrodinger é imaginário, nenhum gatinho foi ferido durante as pesquisas :)
Computadores quânticos
O primeiro computador quântico comercial foi desenvolvido, em 2011, por uma startup canadense chamada D-Wave, especialista em desenvolvimento de processadores quânticos, ele tinha o foco específico em otimização de problemas de Inteligência Artificial e era composto por 28 qubits. Posteriormente, a empresa lançou mais duas versões, o D-Wave 2 em 2013, com mil qubits e, recentemente em 2017, o D-Wave 2000, com 2 mil qubits. O nome da tecnologia utilizada para o desenvolvimento é quantum annealing.
Em 2015, o Google e a NASA compraram o processador D-Wave 2 e desenvolveram seu próprio computador quântico. Para se ter uma ideia do desempenho, os engenheiros de Google e NASA envolvidos no projeto informaram na época que, durante os testes, o computador foi capaz de realizar um problema de otimização 100 milhões de vezes mais rapidamente do que uma máquina convencional, com um único núcleo de processamento.
Computadores quânticos da D-Wave, fonte: www.dwavesys.com
Outra empresa que também está apostando pesado no assunto é a IBM, que em 2016 revolucionou ao colocar à disposição de praticamente qualquer usuário um serviço na nuvem que permite utilizar um computador quântico de 5 qubits que está instalado no Centro de Pesquisas T. J. Watson, em Nova Iorque. Trata-se do Quantum Experience . Isso significa que as pessoas podem executar experimentos de computação quântica a partir do seu próprio laboratório, escritório ou mesmo de sua casa. O mais interessante da iniciativa é que ela abre oportunidades para que pesquisadores de diferentes áreas que não possuem recursos de tecnologia quântica à disposição possam realizar seus estudos e experimentos usando o equipamento da IBM. Desde então, foram executados mais de 300 mil experimentos. No site, você encontra tutoriais, um GitHub e um “kit” de softwares para baixar.
Vale ressaltar que as máquina da D-Wave foram desenvolvidas com propósitos específicos, ou seja, não podem usar sua capacidade quântica para qualquer fim, somente para aquele especifico para o qual foram construídas, só rodam algoritmos de otimização. Já as pesquisas da IBM visam o desenvolvimento de computadores capazes de executar qualquer algoritmo.
É o fim da criptografia?
Depois de te apresentar um computador capaz de fazer cálculos complexos com enorme rapidez, provavelmente você chegou a pensar que pode ser o fim da criptografia. Na verdade, isso é o que mais preocupa aqueles que estudam e desenvolvem a tecnologia. Atualmente, a base da criptografia clássica fundamenta-se na suposição de que é impossível (ou, pelo menos, muito difícil) decompor um número grande em fatores primos em um tempo aceitável. Em 1994, o matemático Peter Shor fez arrepiar os cabelos de todos ao apresentar um algoritmo quântico que faz justamente essa tarefa, e em um período de tempo extremamente curto. Então a resposta é sim, com a chegada da Computação Quântica, a criptografia como conhecemos hoje não será mais eficiente.
Entretanto, já está sendo pesquisada a “criptografia pós-quântica”, ramo da criptografia que desenvolve classes de algoritmos criptográficos resistentes à criptoanálise quântica. Você se lembra do gato de Schrodinger? No inicio deste artigo eu apresentei o conceito de que “o ato de observar altera o estado do se está sendo observado”, e é neste princípio que se estuda desenvolver a nova criptografia. A ideia é que se houver um ataque hacker para descobrir alguma informação, ao ser observada ela será automaticamente alterada, tornando o ataque ineficiente. Mas os estudos quanto a isso ainda estão em fase embrionária.
Possibilidades
Afinal, como o exponencial crescimento da capacidade computacional pode nos ser útil? Imagine que será possível simular e calcular praticamente qualquer coisa em um tempo muito curto. Por exemplo, já imaginou poder testar todas as possibilidades de reação de uma molécula quando interage com determinados elementos? Ou calcular todas as rotas de caminhos possíveis e imagináveis para se explorar o sistema solar, chegando à conclusão de qual rota é mais segura/ curta/ favorável para encontrar um planeta com vida? Esses são apenas alguns exemplos.
“Uma das vertentes que a IBM vislumbra é a simulação de interações atômicas e propriedades da física quântica, como reações químicas e interação entre partículas. Essa tecnologia abre possibilidades de desenvolvimento nos estudos de praticamente todas as áreas. É de extrema importância para desenvolver remédios, estudar o DNA humano, e até mesmo responder à clássica pergunta ‘de onde viemos?’. As aplicação são inimagináveis. Computadores clássicos não conseguem simular todas as propriedades atômicas, a Computação Quântica vai permitir isso”, comenta Fabrício K. Carvalho, que junto com Fábio Teixeira organiza grupos de estudo sobre o assunto e criaram o site Universos Quânticos, onde se aprofundam no tema e visam disseminar o conceito de Computação Quântica e suas aplicações ao público.
Quando chegará à minha casa?
Apesar de todo o entusiasmo que essa tecnologia pode causar, ainda estamos muito longe do “iPhone Q”. Se você imagina que em breve terá um computador quântico em sua casa, sinto lhe informar de que ainda estamos bem longe disso, como explica Nicolas:
“Acredito que a próxima década terá importância fundamental para a evolução da computação quântica. Investimentos pesados estão sendo realizados por grandes companhias para que este cenário se torne realidade o mais brevemente possível. No entanto, é praticamente impossível pensar em um mundo onde os computadores clássicos serão totalmente substituídos pelos quânticos. A máquina quântica precisa operar em condições específicas de temperatura (perto do zero absoluto ou -273º C) e com uma blindagem pesada e robusta contra interferências magnéticas externas, praticamente impossível de ser implementada em um ambiente não científico/ acadêmico”.
Não há dúvidas de que a Computação Quântica vai mudar o paradigma da Ciência da Computação como a conhecemos hoje. Entretanto, ainda estamos engatinhando nesta estrada e mal podemos imaginar onde este caminho vai dar, há quem diga que até a outro planeta habitável nós chegaremos em pouco tempo. Quais são sua apostas?
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