Por que a computação quântica pode revolucionar o setor de tecnologia

Mensagem enviada pelo Fabio

Achei uma matéria interessante para darmos uma lida e conhecermos uma nova tecnologia.

Entenda por que a computação quântica pode revolucionar o setor de tecnologia

A promessa de uma nova era para a computação avançada. É assim que pode ser descrito o anúncio feito pela canadense D-Wave no ultimo mês. A empresa prometeu entregar o primeiro computador quântico comercial em 2008 e demonstrou via videoconferência um protótipo em funcionamento, causando polêmica pela falta de um modelo físico que saciasse a curiosidade dos mais céticos, mas gerando entusiasmo pela perspectiva de uma solução para os problemas mais complexos que sequer os mais poderosos supercomputadores clássicos são capazes de resolver.

Mas o que muda, afinal, com a computação quântica? Para responder essa pergunta, é preciso passar rapidamente por alguns conceitos da mecânica quântica, ramificação da física cujos princípios são utilizados na computação quântica.

Um dos principais conceitos propostos pela mecânica quântica que é importado para a computação quântica é o princípio da superposição. Pela mecânica quântica, uma partícula pode estar em diferentes estados simultaneamente. Isso significa que ela pode estar em diferentes posições ou diferentes tempos – passado e futuro.“O entendimento disso não é muito fácil porque não tem paralelo no mundo clássico”, admite o pesquisador Renato Portugal, do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), do Ministério da Ciência e Tecnologia. “A gente tem que acreditar por ser a única explicação plausível para fenômenos que se observa no mundo subatômico. Isso não entra em contradição com o mundo que a gente conhece porque lá os fenômenos são muito rápidos”, complementa.

Zero e um
A apropriação deste princípio pela computação tem um efeito ainda mais estranho, à primeira vista: enquanto o bit, unidade que representa um caractere de dado na computação clássica só pode assumir o valor zero ou o valor um. Já o qubit, equivalente na computação quântica, pode assumir os valores zero e um ao mesmo tempo. “O bit clássico assume ou valor zero ou um. Isso vem da própria física clássica - não é possível sobrepor duas coisas diferentes. O que a mecânica quântica diz, por incrível que pareça, é que os dois estados - zero e um - podem coexistir fisicamente”, resume o pesquisador.

Outro princípio da mecânica quântica que fundamenta este novo modelo de computação é o conceito de emaranhamento. “Quando o sistema é emaranhado dá pra descrevê-lo como um todo, mas quando se olha para as partes você não consegue descrever o seu estado. Mais que isso, a mecânica quântica diz que não existe o estado, o sistema só existe enquanto estar junto, como o todo. Como se diz no popular, o todo não é a soma das partes”, brinca o professor.

Várias variáveis
Na prática, essa combinação de princípios na computação é poderosa. Ela permite que o computador quântico seja capaz de lidar com problemas que envolvem um volume de dados complexos e variáveis com os quais o computador clássico não é capaz de lidar. “O problema usado como exemplo típico é aquele em que você tem o número de telefone da pessoa e quer descobrir o nome. A questão é que as listas não estão ordenadas por número e sim por nomes”, explica o pesquisador. “Não há nada estruturado que diga onde procurar o número e você tem que olhar os nomes um a um. Como a lista é muito grande, você desiste de fazer isso”, explica. “Já na computação quântica, você poderia fazer de maneira mais rápida porque é possível testar as diferentes possibilidades ao mesmo tempo. A idéia é que você pegaria todos os números da lista e colocaria no estado de superposição. Então você executa o cálculo, que seria processar o nome associado ao telefone em todos os números ao mesmo tempo. É o chamado paralelismo quântico”, detalha. Na computação clássica, o mesmo problema teria que ser processado de forma serial (com um cálculo sendo processado em seguida do outro) ou em computação paralela, o que exigiria muitos processadores. “Na computação quântica, estamos falando de um único processador. Você consegue fazer cálculos com diferentes valores ao mesmo tempo”, explica Portugal.“É claro que no caso da lista você poderia simplesmente ordenar os números, mas há outros problemas que não podem ser ordenados porque não tem estrutura nenhuma”, esclarece o pesquisador. De acordo com ele, vários ramos da indústria hoje lidam com problemas altamente complexos e poderiam se beneficiar muito da computação quântica. Mas segundo o pesquisador não é apenas nos problemas de otimização – como são conhecidos problemas não-estruturados, como o exemplo da lista telefônica – que a computação quântica oferece ganhos.

A primeira aplicação a revelar o potencial da computação quântica ficou conhecida como algoritmo de Shor, descrito em 1994, por Peter Shor.“Ele permite achar divisores de um número inteiro de maneira muito eficiente, mesmo quando falamos de números muito grandes. Não há nenhum algoritmo equivalente na computação clássica. Foi a primeira comprovação em termos de software de que a computação quântica seria útil”, explica o cientista, acrescentando: “Os problemas de otimização têm ganho de velocidade na computação quântica, mas não tão grande quanto o algoritmo de Shor. É um ganho exponencial”

Efeitos práticos
Diante de tanto potencial, é fácil entender o alvoroço causado pelo anúncio feito pela D-Wave há um mês. Embora a computação quântica venha sendo pesquisada há cerca de 25 anos, se a promessa da canadense for cumprida, dentro de pouco mais de um ano as empresas poderão ter à mão pela primeira vez este tipo de benefício.

Embora tenha sido criticada por membros da área acadêmica, que questionaram o fato de a canadense ter demonstrado o equipamento em Mountain View, na Califórnia (EUA), apenas via link pela web – sem retirá-lo dos laboratórios em Vancouver (Canadá) -, a demonstração teve sua veracidade atestada por nada menos que a agência espacial norte-americana NASA.

Para Portugal, a demonstração é um marco, não em avanço tecnológico, mas em termos do prazo para a criação de aplicações práticas à computação quântica. “Antes da empresa canadense estava todo mundo dizendo que era algo para daqui a dez anos ou mais. Acho o prazo deles ambicioso, mas possível”, opina o cientista. De acordo com o pesquisador, a transição do ambiente acadêmico para o comercial pode impulsionar o desenvolvimento no sentido de usos mais específicos. “A empresa tem condições de levantar recursos e caminhar em direção à solução do problema pratico, que é fazer funcionar e vender. No ambiente acadêmico se explora mais idéias, se discute muito, e sobra menos tempo para coisas práticas”, reconhece.

Aspectos técnicos
Apesar do importante passo em direção o uso comercial da computação quântica, a empresa ainda não demonstrou grande evolução no hardware, segundo o pesquisador. “Tem grupos de pesquisa que conseguem dominar a tecnologia de 9 qubits e essa empresa canadense deu um salto pequeno, apresentando um computador de 16 qubits. Não foi uma coisa extraordinária, mas isso mostra que eles devem ter um mínimo de seriedade”, opina.

O cientista explica que o grande salto de evolução da computação quântica deve se dar após o rompimento da fronteira dos mil qubits. “Até 100 qubits é possível tentar fazer simulações equivalentes em computadores clássicos, então não vai ter grandes novidades. Mas quando você chega aos mil qubits entra em uma área que a computação clássica não consegue fazer”, detalha ele. A D-Wave prometeu atingir o marco em 18 meses, chegando aos 32 qubits no final de 2007, depois a 512 qubits e 1.024 qubits até o final de 2008. “Uma questão importante é que parte dos qubits eles vão reservar para fazer correção de códigos. Na máquina clássica é fácil, mas como a quântica trabalha com átomos individuais é preciso reservar uma parte grande da capacidade para correção”, explica.

Há diferentes modelos possíveis de hardware quântico. O computador da canadense será um híbrido, rodando aplicações em processadores digitais clássicos e utilizando um único processador quântico como acelerador e co-processador. O chip quântico, cujo protótipo foi desenhado pela D-Wave e fabricado sob encomenda pela NASA, é feito de materiais supercondutores, como alumínio e nióbio, e depois resfriado em um tanque de hélio líquido.

Pesquisa nacional
Enquanto o primeiro computador quântico comercial permanece no campo das promessas, as pesquisas acadêmicas avançam. No Brasil, além do grupo de Portugal, no LNCC, que reúne orientandos de projetos de iniciação científica, mestrado e doutorado sobre o tema, outros núcleos de pesquisa em universidades públicas no Rio de Janeiro e na Paraíba, entre outras, trabalham na área de desenvolvimento de software para computação quântica.“Não temos computadores quânticos, mas não é problema porque depois que se tem as regras do jogo, só é preciso saber se as está satisfazendo corretamente. É suficiente para que quem tem computadores quânticos à mão possa implementar”, justifica Portugal.

Segundo o cientista, os grupos ligados a harware quântico no Brasil trabalham com pequenos protótipos, mas cooperam principalmente com os grandes grupos internacionais de pesquisa na área. “São poucos lugares no mundo que dominam a ponta da tecnologia. O pessoal de hardware tem contato com esses grupos. O que é feito no Brasil não é a última fronteira em hardware. Mas os grupos daqui têm uma presença importante na pesquisa que ajuda na construção desses hardwares. São reconhecidos internacionalmente”, conclui o pesquisador.