Computação Quântica

Você, assim como eu, está vivendo na era digital e deve estar familiarizado com a enorme quantidade e diversidade de computadores existentes. Sabemos que ele estão presentes em quase todos os setores produtivos atuais, mas afinal, o que é um computador?

Uma das definições usadas é que computadores são máquinas com a capacidade de realizar operações lógicas e matemáticas. A história da computação nos permite conhecer a evolução dos mecanismos para realizar essas operações: computadores eletromecânicos, valvulados e por fim as nossas atuais máquinas transistorizadas. Essa mudança na forma de computar exigiu que a forma de representar os dados também evoluísse. A dificuldade de utilizar números decimais (0-9) em componentes eletrônicos resultou no uso da base 2 para representar números e deu origem ao famoso bit, que só pode assumir dois valores: 0 ou 1. Essa é a forma que os computadores atuais trabalham, empregando diversos arranjos de transistores para processar e armazenar bits e mais bits de informação.

Em poucos anos foi possível observar a velocidade de processamento de dados subir rapidamente e o tamanho dos processadores reduzir drasticamente, tornando possível os computadores portáteis para uso pessoal. Porém essa tecnologia também apresenta restrições. O processamento em alta velocidade faz com que os transistores dissipem mais energia, aumentando a temperatura dos chips. Altas temperaturas afetam o funcionamento dos transistores e isso limita a quantidade de bits a serem computados por segundo. Essa limitação torna inviável o tempo de cálculo de algumas operações.

Para um novo salto significativo na velocidade de funcionamento dos computadores um outro mecanismo está sendo estudado: a mecânica quântica. Os computadores quânticos utilizam de princípios quânticos para seu funcionamento e tornam viáveis cálculos complexos que levariam quantidades de tempo exorbitantes em computadores convencionais. No lugar de bits temos qubits. Qubits são bits quânticos implementados em  spins de elétrons ou na polarização de fótons. Esses tipos de partículas apresentam uma curiosa característica: eles podem apresentar valor 0, 1 ou 1 e 0 ao mesmo tempo. Essa combinação de dois estados é possível graças à uma peculiaridade das partículas subatômicas: a superposição.

A superposição quântica é a combinação de todos os estados possíveis de uma partícula quântica simultaneamente. Esse estado sofre um colapso caso haja a tentativa de medição da posição dessa partícula, fazendo a mesma assumir apenas um valor. Essa particularidade foi ilustrada pelo experimento mental proposto por Erwin Schrödinger. O cenário apresentado pelo experimento é o de um gato dentro de uma caixa, na qual também encontra-se um sistema sensível à radiação que após uma hora pode ou não ter um de seus átomos decaídos, o que resultará na liberação ou não de um veneno que matará o gato. Enquanto a caixa não for aberta, é possível assumir que existe a superposição das duas possibilidades, ou seja, o gato estaria vivo e morto ao mesmo tempo. O ato de observação forçaria o sistema a assumir uma das opções possíveis.

Esse estranho comportamento quântico torna viável que  a partícula representando um qubit antes de ser observada assuma dois valores simultaneamente. Após ser lida, a partícula assumirá uma das posições previstas, que representará 0 ou 1, conforme a probabilidade disso ocorrer. Quando tratamos de elementos quânticos, experimentos feitos com elétrons em situações idênticas demonstram que os mesmos assumem, após a observação, as posições descritas conforme as probabilidades, ou seja, suas posições são mais recorrentes nos locais onde a probabilidade de ocorrência é maior.

Seguindo essas premissas é possível descrever o estado de superposição de um qubit como a combinação linear de 0 e 1, sendo ψ o estado do qubit, α a probabilidade de após a leitura o qubit ser 0 e β a probabilidade dele ser 1.

prob

Uma analogia que facilita o entendimento é a de uma moeda girando. Quando a moeda está prestes a parar de girar e tornar visível apenas um de seus lados, é mais provável que ela assuma a face que estava predominantemente. Mas como essas características resultam em um poder de computação maior?

A combinação de 2 bits possui as seguintes possibilidades:

0 0
0 1
1 0
1 1

Esses 2 bits poderão apenas seguir uma dessas quatro combinações por vez. Em comparação, 1 qubit pode assumir dois estados simultaneamente pela característica de superposição, fazendo com que 2 qubits possam assumir todos os quatro estados descritos acima ao mesmo tempo. Essa relação entre bits e qubits pode ser descrita por:

prob

Caso n assuma o valor 43, por exemplo, será equivalente à 8.796.093.022.208 bits (1 terabyte). A capacidade de representar tantos valores paralelamente aumenta exponencialmente a capacidade de processamento de dados, o que resulta em uma resolução extremamente mais rápida de problemas que levariam décadas com o uso de computadores convencionais.

Apesar da novidade ser empolgante não teremos um computador quântico em nossas mesas tão cedo. A tecnologia não apresenta vantagens competitivas de processamento em aplicações comuns e tem um alto custo de produção, já que o controle absoluto de partículas subatômicas tem um alto grau de dificuldade. A capacidade de cálculo desse computador é mais vantajosa para a área científica e torna possível a solução de problemas matemáticos, a quebra de paradigmas de redes neurais clássicas, a análise de DNA, entre outras inúmeras aplicações que podem revolucionar diversas áreas de conhecimento.

A empresa canadense D-Wave Systems tem o monopólio do mercado e desenvolveu o D-Wave Two, um computador quântico com uma matriz de 512 qubits que torna ele 100 milhões de vezes mais rápido que um computador comum. Apesar de não ser  divulgado, o preço estipulado é de U$15 milhões. O D-Wave Two já foi adquirido pela Google e pela NASA e será utilizado em pesquisas de inteligência artificial e no setor aeroespacial.

Mesmo sendo extremamente pouco acessíveis, já é possível afirmar que os computadores quânticos são o grande avanço da era no setor e assim como seus antecessores vão impulsionar o desenvolvimento humano .

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