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O que é Computação Quântica e suas diferenças para a tradicional?

É comum ouvir que a partir do momento em que se tornar acessível, mudará muitas coisas no quotidiano das pessoas, na descoberta de respostas que a ciência ainda não tem, enfim viveremos uma era de possibilidades difíceis de imaginar nos avanços tecnológicos. Estamos falando da computação quântica.

O assunto não é novo, mas foi apenas a partir do sucesso em produzir os primeiros computadores quânticos, por parte de algumas empresas, que começou a ganhar destaque para além da comunidade científica.

Mesmo para aqueles que são da área, computação quântica está longe de ser um tema simples e por essa razão tentaremos esclarecer apenas os aspectos mais básicos e responder questões como quais as diferenças entre a computação que já faz parte do nosso quotidiano e o porquê ela se revela tão promissora.

O que é computação quântica?

Computação quântica é a busca por processar informações (dados) usando algoritmos e infraestrutura que se baseiam em princípios da Física Quântica.

Por mais simples que seja essa definição, está longe de ser esclarecedora, o que ilustra o desafio que temos pela frente.

Para tanto, vamos por partes, tentando compreender alguns dos conceitos envolvidos.

Entre as diferentes áreas da Física, a Quântica é a responsável por determinar o comportamento e as leis da Física ao nível do átomo e, portanto, no nível microscópico. Ao longo do século passado, com o descobrimento e estudo de várias partículas subatômicas (prótons, elétrons, etc), conhecemos comportamentos novos e que ampliam o que se conhecia em termos das leis da Física dita como “clássica”.

Por exemplo, pelo princípio da incerteza de Heisenberg, ao medir a posição e a quantidade de movimento de um elétron, é possível ter com precisão apenas uma das informações, ou seja, ao obter uma delas, perde-se a certeza sobre a outra.

O princípio de Heisenberg, somado ao experimento imaginário do “Gato de Schrödinger”, segundo o qual um gato confinado em uma caixa, a qual não permite enxergar o seu interior e que contém um frasco de veneno que pode ser liberado ou não, por um evento aleatório, como o decaimento radioativo e que resulta na dúvida do gato estar vivo ou morto na abertura da caixa, são conceitos que fundamentam a Física Quântica.

De acordo com a proposição do físico austríaco Erwin Schrödinger, o gato pode assumir ambas as condições, ou seja, vivo e morto, condição essa que os físicos quânticos chamam de sobreposição. Somente a abertura da caixa encerra a condição e produz a descoberta.

Para tantas vezes quantas for realizado o experimento, pode-se ter diferentes ocorrências de ambas situações.

Pensar em um gato, ou outro animal qualquer, que tem ao mesmo tempo ambos os estados, contradiz o que estamos acostumados e por essa razão, vamos considerar outra situação com a qual estamos familiarizados.

Pense em uma moeda rodando e o conhecido cara ou coroa.

Enquanto a moeda gira e quanto mais rápido o faz, é possível ver as imagens da face relativa à cara e à coroa, como se ela exibisse ambas. É uma ilusão ótica, é verdade, mas visualmente parece que ao mesmo tempo é cara, é coroa.

Somente quando a moeda para e caí com uma das faces voltadas para cima, que há a definição.

No entanto, seja ao abrir a caixa do Gato de Schrödinger, ou parar a moeda, já não temos mais a situação quântica, mas o comportamento descrito na Mecânica Clássica.

Isso ainda não é computação Quântica, mas explica os princípios que nos ajudarão a compreendê-la, começando pelos qubits!

O que são qubits?

Da mesma forma que na computação a qual estamos acostumados, temos uma unidade elementar que é o bit, um número binário e que varia entre 0 e 1, na computação quântica temos o correspondente e que é chamado de qubit, o qual é a junção de quantum bit ou bit quântico.

A diferença entre ambos, é que no caso do qubit ele pode ser tanto 0, quanto 1, ou a já mencionada sobreposição de ambos, ou se preferir ao mesmo tempo 0 e 1. Bingo!

Eis porque citamos o gato de Schrödinger ou as duas faces da moeda como exemplos para sobreposição.

Na computação que aqui chamaremos de clássica, 8 bits correspondem a um byte e que por sua vez é um número binário entre 00000000 e 11111111, sendo que o primeiro equivale ao número zero no sistema decimal e o segundo, ao número 255.

Para quem ainda lembra das aulas de matemática, o número de possibilidades é uma potência de base 2, com o expoente sendo o número de posições binárias, ou 28, ou 256 números diferentes.

Mas para facilitar a compreensão, consideremos apenas 3 bits clássicos e, portanto, que podem produzir 8 números binários diferentes e seus respectivos decimais:

000 = 0
001 = 1
010 = 2
011 = 3
100 = 4
101 = 5
110 = 6
111 = 7

Todavia pela propriedade da sobreposição, 3 qubits podem assumir ao mesmo tempo as 8 variações dos 3 bits clássicos e assim encontrar um valor que varia entre 000 e 111 em computação quântica, pode ser até 8 vezes mais rápido nesse exemplo.

Já no caso de um byte e, portanto, 8 posições e 256 variações, 8 qubits pode ser levar 1/256 do tempo.

Se não ficou evidente, um computador quântico de 64 qubits, pode ser 264 vezes mais rápido do que um de 64 bits.

Como conseguir sobreposição?

Se ficou claro o que é sobreposição, o próximo passo é consegui-la.

Em computação tradicional, é simples.

O 0 (zero) é obtido pela ausência de corrente elétrica e o 1 (um) por presença de corrente, ou “não” e “sim”, respectivamente em termos lógicos.

Mas em termos quânticos, a sobreposição não é a média ou o meio termo, ou ainda se preferir, se no sistema em questão utiliza-se 0 volt, para corresponder ao 0 e 5 volts, para o 1, a resposta para o qubit em termos elétricos, não é 2,5 volts. Mas também não dá para termos ao mesmo tempo 0 e 5 volts.

Então como fazer?

Trata-se de um paradigma a ser quebrado e que requer que usemos outro modelo diferente.

Lembra-se que afirmamos no começo que a computação quântica apoia-se na Física Quântica e essa por sua vez baseia-se no comportamento em nível atômico?

Pois bem, são usados propriedades das partículas atômicas, como spin ou fótons de luz. Mas isso é influenciado por fatores externos, como energia térmica e aí que começam alguns dos desafios para produzir um computador desse tipo.

Os modelos mais bem sucedidos até agora, precisam operar perto do zero absoluto, ou 0 grau Kelvin e que corresponde a aproximadamente -273 na escala Celsius, o que é muito difícil de ser conseguido, até mesmo em modernos laboratórios.

Essa temperatura é necessária, pois é quando a energia cinética – ligada ao movimento – e a energia térmica, equivalem a zero, de modo que as partículas do átomo não tenham seu comportamento alterado pelo calor do ambiente, por exemplo.

Mas até outros fatores, como qualquer presença de luz, ou nível de emissão radioativa, pode mudar a entropia do sistema e impedir de se conseguir as condições para produzir a sobreposição.

Portanto, os sistemas precisam estar em sistemas plenamente eficientes quanto ao isolamento do ambiente, das suas influências e o uso de elementos químicos apropriados para simular as condições necessárias.

A computação quântica já é realidade?

Apesar das dificuldades, a computação quântica já é uma realidade.

Talvez ainda esteja longe o dia em que teremos um computador quântico substituindo o notebook doméstico, os smartphones usem processadores do tipo ou até mesmo os data centers ou grandes multinacionais aposentem os servidores baseados nas arquiteturas atuais.

As principais big techs já investem milhões há alguns anos e já conseguem resultados que confirmam a teoria, como é o caso da IBM, por meio do IBM Q, do Google e o processador quântico Sycamore e da Microsoft Q#, uma linguagem de desenvolvimento para aplicativos da nova era.

Há outras empresas não tão conhecidas, mas que já têm projetos em fase avançada e com utilizações práticas, como é o caso da D Wave.

Porém o que já vem sendo feito de concreto, ainda é bastante específico. Os primeiros sistemas são destinados a usos bem especializados, como tentar resolver problemas difíceis demais ou até impossíveis para os supercomputadores tradicionais, como por exemplo, quebrar uma criptografia de 2048 bits, o que exigiria um tempo inviável (milhões de anos) para os sistemas tradicionais.

Nessa linha o Sycamore do Google, que foi construído para resolver apenas os resultados de uma reação química, levando para isso, 200 segundos, mas que exigiriam 10000 anos de um supercomputador clássico. Se em vez disso, fosse colocado para fazer contas matemáticas simples, perderia.

Dadas algumas das características dos computadores quânticos, algumas das áreas que devem se beneficiar da sua evolução, temos a Inteligência Artificial e o Deep Learning, a pesquisa científica na área de medicamentos e doenças ligadas à mutações cromossômicas, segurança digital, só para citar algumas.

Apesar de um futuro promissor em várias áreas, ainda devemos estar longe do dia em que computadores quânticos sejam acessíveis e capazes de fazer as milhares de coisas que seu smartphone faz.