Você talvez já tenha ouvido falar sobre o computador quântico, mas sabe do que se trata?
Ainda que ele esteja relativamente longe de fazer parte do nosso dia a dia, já causa alguma interferência em nossas vidas.
O interessante é que os governos de diversos países estão hoje mais preocupados em se proteger do PC quântico do que em expandir sua tecnologia para uso doméstico.
Essa preocupação tem fundamento, já que, como destaca um artigo no portal Computerworld, a grande questão hoje é o potencial da computação quântica em quebrar a criptografia.
Por outro lado, os computadores quânticos prometem avanços espetaculares, considerando o seu modo de operar.
E você, tem interesse no assunto?
Neste texto, você vai entender como funciona um computador quântico e conferir algumas das suas aplicações.
Veja os tópicos abordados:
Saiba tudo sobre o sistema quântico, lendo até o final.
Um computador quântico é um dispositivo que utiliza princípios da mecânica quântica para processar informações.
Ao contrário dos computadores clássicos, que usam bits para representar estados binários (0 ou 1), os computadores quânticos usam qubits (quantum bits), que podem existir em múltiplos estados simultaneamente, graças à sobreposição quântica.
Isso talvez seja um pouco técnico demais, mas o mais importante é entender do que um PC quântico é capaz.
Sua propriedade possibilita o processamento paralelo de informações, tornando os computadores quânticos potencialmente mais eficientes em certas tarefas, como fatoração de números grandes e simulações quânticas.
Essa história começa com David Deutsch, que em 1985 propôs o conceito teórico de um computador quântico.
Antes disso, a ideia de utilizar princípios quânticos para computação já era especulada por Richard Feynman, que em 1981 sugeriu a simulação de sistemas quânticos com métodos clássicos.
O termo “computação quântica” foi criado em 1994 por Peter Shor e Lov Grover, enquanto o primeiro experimento que demonstrou fisicamente o princípio de um qubit quântico foi realizado em 1998 por Isaac Chuang, na IBM.
A principal diferença entre um computador quântico e um computador clássico está nos bits que utilizam para representar informações.
Enquanto os computadores convencionais usam bits clássicos, que podem estar em estado 0 ou 1, os computadores quânticos empregam qubits, que, devido à sobreposição quântica, podem existir em múltiplos estados simultaneamente.
Como comentamos antes, essa propriedade permite o processamento paralelo de informações, acelerando cálculos complexos.
Outra diferença é que os computadores quânticos são sensíveis à interferência do ambiente, apresentando desafios em sua construção e manutenção.
Flutuações de temperatura ou campos magnéticos, por exemplo, podem perturbar a coerência quântica, levando a erros nos cálculos.
Esse problema não existe nos computadores clássicos, cujos materiais e componentes resistem melhor a essas variações.
A seguir, vamos avançar no tema para entender como funciona um computador quântico.
O sistema quântico parte da premissa de que, para todo problema, existem diversas respostas possíveis.
Assim funcionam os qubits, que podem existir em múltiplos estados simultaneamente.
Essa maior abertura permite o processamento paralelo de várias hipóteses ao mesmo tempo, acelerando tarefas de alta complexidade, principalmente cálculos.
A manipulação dos qubits se vale de portas quânticas, que aplicam transformações complexas, por meio do entrelaçamento quântico.
Isso faz com que a correlação entre qubits passe a ser instantânea, acelerando a transmissão de informações.
O processo quântico culmina em medições que colapsam os estados quânticos para gerar respostas.
No entanto, os qubits são suscetíveis à decoerência — perda de coerência — devido à interferência ambiental, como mencionamos anteriormente.
A tecnologia quântica representa um salto exponencial em relação àquela que se aplica aos computadores tradicionais.
Não é exagero, uma vez que cada qubit equivale a 2 bits em termos de capacidade de processamento.
Fica mais fácil de entender acompanhando na tabela abaixo essa progressão.
| Bits quânticos | Equivalência em bits tradicionais |
| 1 qubit | 2 bits |
| 2 qubits | 4 bits |
| 10 qubits | 1024 bits |
| 20 qubits | 1048576 bits |
| 64 qubits | 1,84.1019 bits |
| 512 qubits | 1,34.10154 bits |
Por hora, a tecnologia do sistema quântico não é para os “simples mortais”.
Ainda restrita às grandes corporações e órgãos de governo, esses equipamentos são alvo de pesquisas muito criteriosas, dada a sua capacidade revolucionária de processamento.
Os computadores quânticos despertam questões de ordem ética e legal que precisam ser consideradas antes de um ainda distante lançamento em escala comercial.
De qualquer forma, isso não impede que eles sejam utilizados hoje para uma gama variada de propósitos.
Conheça alguns dos usos da computação quântica a seguir e de que maneira alguns deles podem já estar impactando na vida das pessoas comuns.
Algoritmos quânticos, como o algoritmo de Shor, podem fatorar grandes números inteiros com muito mais eficiência do que os algoritmos clássicos.
Nos computadores quânticos, os qubits exploram simultaneamente múltiplos caminhos de fatoração, pela aplicação da transformada quântica de Fourier para encontrar períodos.
A interferência construtiva de estados quânticos aprimora a solução, aumentando exponencialmente a eficiência em comparação com algoritmos clássicos.
Este método, ao explorar o paralelismo quântico, é especialmente eficaz para quebrar chaves de criptografia baseadas em fatoração de números primos, destacando a potencial ameaça à segurança de sistemas criptográficos convencionais.
Simulações de sistemas como os de moléculas complexas são particularmente mais ágeis na computação quântica, possibilitando avanços na pesquisa de materiais e medicamentos.
Eles fazem isso por meio de simulações quânticas, em que um computador utiliza sua capacidade de representar sistemas complexos.
Nesse caso, os qubits representam estados quânticos, permitindo a simulação de evoluções temporais, por exemplo, utilizando a sobreposição quântica e o entrelaçamento.
Ao contrário dos métodos clássicos, que enfrentam dificuldades para simular sistemas quânticos grandes, o paralelismo quântico possibilita uma simulação mais rápida e de alta precisão.
Essa capacidade é valiosa em áreas como química quântica e física de materiais, onde simular comportamentos quânticos complexos é um problema para computadores clássicos.
A computação quântica aplica o algoritmo de Grover, usado para encontrar a solução mais eficiente em um conjunto não ordenado.
Eles exploram a sobreposição quântica para buscar respostas em vez de avaliar todas as possíveis soluções de forma sequencial, como em algoritmos clássicos.
O algoritmo de Grover realiza uma busca quântica simultânea, proporcionando um ganho quadrático de eficiência.
Isso é particularmente relevante em problemas de busca não ordenada, onde encontrar a solução ótima é o grande desafio.
Dessa forma, o potencial de processamento paralelo quântico torna os computadores quânticos promissores para resolver problemas de otimização combinatória em setores como logística, planejamento e design de experimentos.
Os computadores quânticos também podem ser usados para desenvolver sistemas de criptografia mais seguros, baseados em princípios quânticos para garantir a segurança da informação.
Eles influenciam a criptografia em todos os sentidos, ao implementar métodos pós-quânticos em seu desenvolvimento.
Isso acontece porque algoritmos quânticos, como o de Shor, podem quebrar criptografias baseadas em fatoração de números primos.
Para contrapor essa ameaça, são exploradas técnicas criptográficas quânticas, como a distribuição de chaves usando princípios da física quântica.
Essa evolução visa proteger sistemas de comunicação contra ataques quânticos, assegurando a confidencialidade das informações.
A propósito, esse é um campo emergente da criptografia, que visa estabelecer protocolos mais seguros, fortalecendo a segurança em um cenário pós-quântico.
É também, como vimos, o principal motivo de preocupação das autoridades governamentais e que ainda impede a massificação da computação quântica.
A exploração de algoritmos quânticos pode melhorar certas tarefas de machine learning, como classificação e otimização de modelos.
Os computadores quânticos têm potencial para impulsionar esse desenvolvimento por meio de algoritmos como o Algoritmo Quântico de Aprendizado de Máquina (QMLA), que pode analisar grandes conjuntos de dados, aproveitando o paralelismo quântico.
Além disso, a sobreposição quântica permite uma exploração mais rápida de espaços de solução, otimizando tarefas como classificação e otimização de modelos.
Embora em estágios iniciais, a combinação de computação quântica e machine learning é considerada bastante promissora, tendo em vista sua capacidade de resolver problemas complexos e para o treinamento de modelos ainda mais poderosos.
A computação quântica usa os princípios da mecânica quântica para garantir a privacidade das comunicações em rede.
As redes quânticas permitem a criação e manipulação de qubits, que podem ser entrelaçados, mesmo a distância.
Esse entrelaçamento quântico possibilita a transmissão segura de informações entre locais separados, que é inclusive uma característica elementar para a comunicação quântica.
Isso acontece por meio da distribuição de chaves, que usa princípios quânticos para garantir a segurança da comunicação, tornando as informações imunes a interceptações.
O processamento paralelo quântico também contribui para a eficiência na manipulação de estados em redes, promovendo avanços na computação e comunicação, com implicações potenciais para a segurança cibernética avançada.
A partir do que vimos, os computadores quânticos podem ser aplicados para resolver problemas complexos de otimização combinatória, como o clássico problema do caixeiro viajante.
Utilizando algoritmos como o de Grover, eles exploram a sobreposição quântica para avaliar múltiplos caminhos simultaneamente.
Isso proporciona uma busca mais rápida pela solução ótima entre as muitas combinações possíveis de caminhos, otimizando o percurso quando há incontáveis opções de rotas.
A eficiência quântica é por isso apontada como a solução em cenários nos quais a complexidade aumenta exponencialmente com o número de opções.
Embora haja desafios técnicos para que essa aplicação se consolide, a capacidade dos computadores quânticos de lidar com essa classe de problemas promete revolucionar.
Áreas como logística, planejamento urbano e roteamento em sistemas de elevada complexidade, por exemplo, são algumas das potenciais beneficiárias.
Um provável PC quântico poderia fazer uma simulação mais precisa de modelos climáticos complexos, permitindo uma compreensão mais profunda da crise climática e suas implicações.
Os algoritmos aproveitam a sobreposição e entrelaçamento quânticos, permitindo a representação de fenômenos climáticos com grande exatidão.
A capacidade de processamento paralelo quântico também possibilita explorar vastos conjuntos de dados e variáveis simultaneamente, acelerando a simulação de interações climáticas.
Isso é especialmente útil na compreensão das mudanças no clima e na antecipação de padrões climáticos futuros.
Embora em estágios iniciais, a combinação de computação quântica e modelagem climática é das mais promissoras e poderá ajudar na previsão e compreensão dos impactos das mudanças ambientais globais.
De acordo com reportagem publicada na revista Exame, quase um quarto das empresas em todo o mundo já deram início a projetos para implementar tecnologias quânticas.
Boa parte delas espera desenvolvê-las em aplicações comerciais em um período de no máximo cinco anos.
A matéria destaca também a corrida tecnológica na área, hoje liderada por China e Holanda, países em que 40% das empresas já adotam essa tecnologia.
Claro que as grandes corporações ligadas à área de TI e computação são as que estão mais à frente.
A principal delas talvez seja a IBM, que vem atuando junto ao setor financeiro.
Entre os avanços nessa área, está o aumento da precisão por parte dos bancos ao indicar carteiras de investimento entre milhões de possibilidades.
Também é destacada na matéria o potencial de desenvolvimento para a indústria farmacêutica, que poderá desenvolver medicamentos ainda mais poderosos.
O que é um computador quântico, senão um supercomputador com aplicações muito além das simples necessidades individuais?
A verdade é que a tecnologia quântica ainda é restrita a pesquisas avançadas, em razão dos seus altos custos, panorama que não deve mudar no futuro próximo.
Além disso, há desafios de ordem técnica, como a estabilidade dos qubits e complexidades no nível de hardware que precisam ser superadas.
No entanto, existe uma crescente conscientização sobre seu potencial transformador, e o futuro da tecnologia quântica dependerá do progresso contínuo na superação desses obstáculos e da vontade da indústria em torná-la acessível ao público.
À medida que a pesquisa avança, as expectativas podem evoluir, moldando o papel da tecnologia na sociedade.
Por enquanto, o que se pode dizer é que computadores quânticos são apenas para grandes corporações, governos e empresas.
O computador quântico pode ser considerado uma das grandes revoluções da era da transformação digital.
Assim como a internet 5G, ela promete mudar todos os paradigmas até então conhecidos em relação à tecnologia da informação.
Claro que esse é um capítulo que vamos continuar acompanhando para manter você a par das últimas novidades.
Continue lendo os artigos publicados aqui no blog da FIA e fique sempre em dia sobre assuntos que despertam a atenção pública!
Referências:
https://www.computerworld.com.pt/2022/05/24/a-ameaca-quantica-computacao-quantica-e-criptografia/
https://pt.wikipedia.org/wiki/Computa%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%A2ntica
https://en.wikipedia.org/wiki/David_Deutsch
https://quantumzeitgeist.com/richard-feynman-and-his-contributions-to-quantum-computing-and-nanotechnology/
https://brazilquantum.medium.com/algoritmo-de-shor-bcf37e92924b
https://pt.wikipedia.org/wiki/Algoritmo_de_Grover
https://exame.com/invest/mercados/fisica-quantica-industria-mundial/
https://www.estadao.com.br/economia/computacao-quantica-quem-sao-as-mulheres-que-lideram-a-tecnologia-dentro-das-empresas/
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