O impacto da computação quântica no mundo

Por mais de meio século, a possibilidade da computação quântica vem sendo discutida na comunidade científica. Seu potencial é significativo. Enquanto os computadores tradicionais podem levar anos para desvendar um problema complexo, os computadores quânticos podem resolver o mesmo problema em questão de horas, graças ao uso de qubits (bits mecânicos quânticos). Inúmeros esforços para tornar a computação quântica uma realidade em escala tem sido empreendidos.

A computação quântica, uma tecnologia emergente que usa as leis da mecânica quântica para produzir um desempenho exponencialmente mais alto para certos tipos de cálculos, oferece a possibilidade de grandes avanços em todos os setores. A computação quântica pode agregar um enorme valor, desde a aceleração de tecnologias para atingir emissões líquidas zero de CO2 na atmosfera até a simulação de moléculas complexas que podem acelerar a pesquisa de drogas. Dito isso, os computadores mais poderosos da computação quântica também podem um dia representar um risco de segurança cibernética, pois podem vir a quebrar criptografia hoje consideradas inexpugnáveis antes mesmo do final desta década. 

Mas afinal o que é a computação quântica? A teoria quântica explica a natureza e o comportamento da energia e da matéria no nível quântico (atômico e subatômico). O desenvolvimento da teoria quântica começou em 1900 através de Max Planck. Ela foi apresentada formalmente pela primeira vez para a Sociedade Alemã de Física, quando Planck trouxe a ideia / conceito de que energia e matéria existem em unidades individuais. Desenvolvimentos posteriores por vários cientistas nos trinta anos seguintes levaram à compreensão moderna da teoria quântica.

“Os elementos essenciais da teoria são:

• A energia, como a matéria, consiste em unidades discretas; ao contrário de uma onda contínua.

• Partículas elementares de energia e matéria, dependendo das condições, podem se comportar como partículas ou ondas.

• O movimento das partículas elementares é inerentemente aleatório e, portanto, imprevisível.

• A medição simultânea de dois valores complementares – como a posição e o momento de uma partícula – é falha. Quanto mais precisamente um valor for medido, mais falha será a medição do outro valor” .

A interpretação proposta por Niels Bohr da teoria quântica afirma que uma partícula é o que ela for medida para ser, mas que não se pode supor que tenha propriedades específicas, ou mesmo que exista, até que seja medida. Isso se relaciona a um princípio chamado superposição. A superposição reivindica que quando não sabemos qual é o estado de um determinado objeto, ele está em todos os estados possíveis simultaneamente – contanto que não procuremos verificar. Em outras palavras, a superposição é a capacidade de um sistema quântico estar em vários estados simultaneamente. A antítese de superposição é, por exemplo, o lançamento de uma moeda, que sempre dá cara ou coroa que é um conceito binário. O princípio de que, de alguma forma, uma partícula pode existir em vários estados abre profundas implicações para a computação.

“A computação clássica baseia-se em princípios expressos pela álgebra booleana; normalmente operando com um princípio de porta lógica de 3 ou 7 modalidades**. Os dados devem ser processados em um estado exclusivamente binário a qualquer momento; 0 (desligado/falso) ou 1 (ligado/verdadeiro). Esses valores são dígitos binários ou bits. Os milhões de transistores e capacitores no coração dos computadores só podem estar em um estado em qualquer ponto. Além disso, ainda há um limite para a rapidez com que esses dispositivos podem mudar de estado. À medida que progredimos para circuitos menores e mais rápidos, começamos a atingir os limites físicos dos materiais e o limiar para a aplicação das leis clássicas da física.

O computador quântico opera com uma porta lógica de duas modalidades**: XOR e um modo chamado QO1 (a capacidade de transformar 0 em uma superposição de 0 e 1). Em um computador quântico, várias partículas elementares, como elétrons ou fótons, podem ser usadas. Cada partícula recebe uma carga, ou polarização, atuando como uma representação de 0 e/ou 1. Cada partícula é chamada de bit quântico, ou qubit. A natureza e o comportamento dessas partículas formam a base da computação quântica e da supremacia quântica***. Os dois aspectos mais relevantes da física quântica são os princípios de superposição e entrelaçamento (ou emaranhamento)” .

O entrelaçamento quântico é um fenômeno da mecânica quântica que faz com que duas ou mais partículas estejam de alguma forma tão ligadas que uma partícula não possa ser corretamente descrita sem que a sua contraparte seja levada em conta, ainda que essas partículas possam estar espacialmente separadas pela distância total do universo conhecido ( por bilhões de anos-luz). O poder e o vasto potencial da computação quântica podem ser entendidos através do fenômeno do “entrelaçamento” que também se refere à possibilidade de muitas partículas formarem uma função de onda comum, permitindo que mudanças em uma partícula afetem todas as outras instantaneamente e de maneira bem ordenada além das propriedades coletivas dos estados quânticos, ou seja, superposição, interferência e o próprio entrelaçamento. Isso dá origem à possibilidade de computação paralela massiva, que pode facilmente ultrapassar os sistemas multicore atualmente disponíveis. Este processo permite armazenar e processar grandes quantidades de informação.

A computação quântica é baseada em processos físicos totalmente diferentes da computação convencional. Ao contrário dos bits binários convencionais que são 0 ou 1, os bits quânticos podem assumir valores que são uma combinação — superposição — de 0 e 1. Essa característica da física quântica permite novos algoritmos de computação que podem comprimir massivamente o tempo computacional. Em outras palavras, o computador quântico ganha muito de seu poder de processamento por meio da capacidade dos bits estarem em vários estados ao mesmo tempo. Eles podem executar tarefas usando uma combinação de 1, 0 e 1 e 0 simultaneamente. Dentre os principais centros atuais de pesquisa em computação quântica podemos mencionar o MIT, a IBM, a Oxford University e o Los Alamos National Laboratory. Além disso, os desenvolvedores começaram a obter acesso a computadores quânticos por meio de serviços em nuvem. Uma breve síntese do sumário que fizemos acima pode ser visto em um breve vídeo no YouTube e que pode ser ajustado para apresentar legendas em português.

Os quatro tipos mais conhecidos de casos de uso de computação quântica se encaixam em quatro categorias: simulação quântica, álgebra linear quântica para IA (Inteligência Artificial) e aprendizado de máquina, otimização e pesquisa quântica e fatoração quântica.

A simulação quântica é a simulação de sistemas ou processos de mecânica quântica, como moléculas, reações químicas ou elétrons em sólidos e que são encontrados principalmente nas indústrias farmacêutica e química para tarefas como otimização de catalisadores. A álgebra linear quântica é um campo amplo com um conjunto diversificado de técnicas e abordagens quânticas, aplicadas principalmente em IA e aprendizado de máquina. A IA quântica e o aprendizado de máquina são aplicáveis em uma ampla gama de setores, incluindo o farmacêutico, o automotivo e o financeiro, para tarefas como direção autônoma, negociação automatizada e manutenção preditiva. A álgebra linear quântica também pode ser usada para simular física clássica, como estabilidade mecânica; comportamento termodinâmico; ruído, vibração, etc. Espera-se que a otimização quântica resolva problemas muito mais complexos do que os computadores convencionais. Casos de uso para otimização quântica são encontrados em quase todos os setores para tarefas como design generativo, gerenciamento de tráfego e otimização de portfólio, entre muitas outras aplicações. A fatoração quântica, por sua vez, é atualmente a aplicação mais conhecida da computação quântica. A fatoração quântica é aplicável para quebrar criptografias que estão na base da maioria dos protocolos de transferência segura de dados que temos hoje. ****

São vários os exemplos mais detalhados que podemos dar de usos da computação quântica. Dentre eles:

– A tecnologia emergente da computação quântica pode revolucionar a luta contra as mudanças climáticas, transformando a economia da descarbonização e se tornando um fator importante na limitação do aquecimento global (Quantum computing just might save the planet).

– Também está se tornando um fator-chave no desenvolvimento de formulações moleculares que se tornam medicamentos para tratar ou curar doenças, estando ainda no coração da indústria farmacêutica. O desenvolvimento é tão fundamental que a indústria farmacêutica gasta 15% de suas vendas globais em P&D (pesquisa e desenvolvimento) – uma quantia enorme que representa mais de 20% do total de gastos com P&D em todos os setores da economia global. Mais recentemente a R&D farmacêutica, por exemplo, já vem lançando mão da inteligência artificial (IA) que é também a próxima fronteira digital da computação quântica (Pharma’s digital Rx: Quantum computing in drug research and development).

– Outro setor que pode ser extremamente impactado pela computação quântica é o setor financeiro. Muitas atividades de serviços financeiros, desde precificação de títulos até otimização de portfólio, exigem a capacidade de avaliar uma série de resultados potenciais. Para isso, os bancos utilizam algoritmos e modelos que calculam probabilidades estatísticas. Eles são bastante eficazes, mas não são infalíveis, como foi demonstrado durante a crise financeira de um pouco mais de uma década atrás, quando eventos aparentemente de baixa probabilidade ocorreram com mais frequência do que o esperado. Em um mundo com muitos dados, computadores cada vez mais poderosos são essenciais para calcular probabilidades com precisão. Com isso em mente, vários bancos estão se voltando para uma nova geração de processadores que aproveitam os princípios da física quântica para processar grandes quantidades de dados em velocidade super rápida (How quantum computing could change financial services).

– A indústria automotiva e mesmo o setor de transporte como um todo também serão afetados. A indústria automotiva tem acompanhado esses desenvolvimentos, uma vez que a computação quântica fornece melhorias computacionais que podem aumentar os recursos em toda a cadeia de valor. Vários fornecedores de primeira linha já começaram a investigar a capacidade da computação quântica de beneficiar a indústria e resolver alguns problemas existentes, incluindo aqueles relacionados à otimização de rotas, otimização de células de combustível e durabilidade de materiais (Will quantum computing drive the automotive future?).

Finalmente, no contexto das extraordinárias perspectivas da computação quântica, o relatório da McKinsey intitulado Computação quântica: um ecossistema emergente e casos de uso do setor (“Quantum computing: An emerging ecosystem and industry use cases”) também sumariza os desenvolvimentos em curso em três vetores principais:

“O Hardware que é um gargalo significativo no ecossistema. O desafio é técnico e estrutural. Primeiro, há a questão de dimensionar o número de qubits em um computador quântico enquanto atinge um nível suficiente de qualidade de qubit. O hardware também tem uma grande barreira à entrada porque requer uma rara combinação de capital, experiência em física quântica experimental e teórica e conhecimento profundo – especialmente conhecimento de domínio das opções relevantes para implementação (há ainda a questão técnica do efeito do observador que é o fato de que observar uma situação ou fenômeno no mundo quântico necessariamente o modifica – grifo nosso).

– O número de startups focadas em software está aumentando mais rapidamente do que qualquer outro segmento da cadeia de valor da computação quântica. À medida que o software de computação quântica continua a se desenvolver, as organizações poderão atualizar suas ferramentas de software e, eventualmente, usar ferramentas totalmente quânticas. Enquanto isso, a computação quântica requer um novo paradigma de programação / desenvolvimento de softwares

– Os serviços de computação quântica baseados em nuvem podem se tornar a parte mais valiosa do ecossistema e podem criar recompensas enormes para aqueles que os controlam. A maioria dos provedores de serviços de computação em nuvem agora oferece acesso a computadores quânticos em suas plataformas, o que permite que usuários em potencial experimentem a tecnologia. Como a computação quântica pessoal ou móvel é improvável nesta década, a nuvem pode ser a principal maneira para os primeiros usuários experimentarem a tecnologia até que o ecossistema maior amadureça”.

As perspectivas são alvissareiras e os desafios também. É todo um novo mundo tecnológico que mesmo se descortinando diante de nossos olhos não é suficiente para que possamos, de fato, visualizar todo o impacto humano e social de tudo isso.

** A logic gate is a device that acts as a building block for digital circuits. They perform basic logical functions that are fundamental to digital circuits. Most electronic devices we use today will have some form of logic gates in them. Por exemplo, na programação temos:

· Porta Lógica NOT.

· Porta Lógica AND.

· Porta Lógica OR.

· Porta Lógica NAND.

· Porta Lógica NOR.

· Porta Lógica XOR.

· Porta Lógica XNOR.

*** A supremacia quântica é a demonstração experimental do domínio e vantagem de um computador quântico sobre os computadores clássicos, realizando cálculos que antes eram impossíveis em velocidades incomparáveis.

****Os sistemas de criptografia nunca foram inquebráveis. Em vez disso, sua segurança é baseada na enorme quantidade de tempo que levaria para um computador clássico fazer o trabalho. Os métodos modernos de criptografia são projetados especificamente para que decodificá-los demore tanto que sejam praticamente inquebráveis. Mas os computadores quânticos mudam esse pensamento. Essas máquinas são muito mais poderosas que os computadores clássicos e devem ser capazes de quebrar esses códigos com mais eficiência. O resultado tornará a situação desconfortável para governos, organizações militares e de segurança, bancos e qualquer outra pessoa que precise proteger dados por 25 anos ou mais. Mas, por outro lado, se for possível que as senhas também tenham características quânticas, a quebra de códigos se tornará muito mais difícil do que hoje. (por José Antônio)

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