Computadores Quânticos

O Limite Físico da Computação:

Antes de falar da computação quântica propriamente dita, é importante explicar brevemente a importância de seu desenvolvimento. Bem, para isso irei falar sobre a composição básica de um computador clássico. Os clássicos seguem basicamente a arquitetura de Von Neumann, em que um computador é composto resumidamente por uma memória (essa armazena informação) e por uma CPU (essa manipula a informação e realiza cálculos). Indo mais internamente, o funcionamento do computador segue se dá através da unidade mínima de informação, os bits, esses podem ter o valor de 0 ou 1, representados por correntes elétricas que passam por transistores(se a corrente passa por um transistor ele armazena 1, se não, ele armazena 0). Então, surge a questão:

Por que explicar isso ?

Para explicar isso, irei fazer uma analogia: Imagine uma cozinha, onde se executam tarefas a fim de produzir algum alimento como resultado, nesta cozinha você pode aumentar o número de cozinheiros e então aumentar a velocidade de produção desse alimento. Voltando para o computador clássico, os transistores são os cozinheiros e, assim como em uma cozinha você pode aumentar o número de cozinheiros até um limite(cozinha não tem tamanho infinito) ou a cozinha ficará lotada, no computador vc n consegue colocar infinitos transistores.

Então, chegamos ao chamado limite físico da computação que obedece desde os primórdios da tecnologia a chamada Lei de Moore. Essa lei diz, basicamente, que o número de transistores em um processador dobra a cada ano(consequentemente seu poder computacional tbm), e caso isso perdure a curva exponencial irá levar ao limite físico da computação impedindo a realização de tarefas mais complexas.

Isso pode parecer extremamente problemático, mas dificilmente irá afetar seu uso cotidiano de redes sociais ou navegação na web. Isso é um grande problema para áreas que exijam a realização de tarefas mais complexas como física(simulações complexas, geralmente relacionadas ao mundo quântico) e matemática (problemas extremamente complexos para computadores atuais).

Então, chega a computação quântica com a premissa de ser a resolução desse eventual limite físico. Ao olhar para um computador quântico logo de cara você se surpreende com o tamanho absurdo que estes computadores podem chegar a ter, parecendo bem inviável o uso deles. Mas relaxe, boa parte desse tamanho é graças ao sistema de refrigeração(refrigerador de diluição) necessário para simular o ambiente quântico (muito delicado) chegando a temperaturas próximas do 0 absoluto (+/-0.02K). Quanto ao tamanho do computador em si é bem pequeno, como por exemplo o Sycamore da Google.

Diferenças entre o Computador Clássico e o Quântico:

Partindo para a principal diferença entre os tipos de computadores, temos que analisar a forma como reconhecem informação. Enquanto o Clássico utiliza de bits que assumem os valores 0 OU 1, o Quântico utiliza dos chamados qubits(ou bits quânticos) que acabam por poder armazenar os valores 0, 1, OU 0 E 1 ao mesmo tempo. Pode parecer que não é nada demais acrescentar essa possibilidade de sobreposição entre 0 e 1 para um bit, mas essa “simples” mudança acaba por aumentar o poder computacional de maneira exponencial, onde 1 qubit representa 2^n bits de um computador normal.

Explicando o funcionamento de um qubit:

Um qubit basicamente segue 3 condições da física quântica: Superposição, Entrelaçamento e Interferência. Vale ressaltar que como na física quântica trabalhamos com probabilidades, utilizaremos probabilidades para falar dela.

Superposição:

A sobreposição é basicamente uma combinação de dois estados, o 0 e o 1 ao mesmo tempo. Como você já deve esperar, é graças a ela que é possível realizar o fenômeno de um qubit apresentar o valor de 0 e 1 simultaneamente. Como forma de explicar melhor o qubit utilizaremos da seguinte imagem:

Com a representação matemática da imagem é possível explicar mais detalhadamente a superposição. Voltando a explicação, quando você medir um qubit a saída continuará sendo 0 ou 1. Mas o que será escolhido depende da probabilidade que for setada pela direção do vetor(flecha), se o vetor estiver mais para cima a chance de conseguir um 1 é maior, se estiver mais para baixo a chance de conseguir um 0 é maior. Pode parecer confusa a ideia de usar algo “probabilístico” para executar funções exatas de computação, mas é possível manipular essas porcentagens a fim de conseguir o resultado esperado.

Entrelaçamento:

Para explicar o entrelaçamento é necessário voltar para o funcionamento do computador clássico. No clássico os bits funcionam de maneira independente uns dos outros. Mas no quântico, os qubits podem ser entrelaçados, tornando- se parte de um estado singular juntos. Apesar da palavra ser meio diferente, emaranhamento é esse conceito de você conseguir “ligar” dois objetos, nesse caso dois qubits, e alterar os dois (ou mais) com apenas um comando. O emaranhamento é então uma ferramenta importantíssima dos computadores quânticos pois permite que sejam feitas as ligações necessárias entre os qubits que queremos e com uma só ação conseguimos mudar o estado de todos eles.

Interferência:

Para explicar o efeito da interferência é importante observar o modelo de qubit proposto na imagem tecnicamente chamado de Bloch Sphere. Um qubit não parece com isso, mas é uma ótima forma de visualizar o estado de um qubit. Na realidade o estado de um qubit é descrito por uma função de onda. Uma vez que seu comportamento é a de uma função de onda, este pode assumir os efeitos da interferência construtiva e destrutiva. Desta forma, é possível manipular a saída de um qubit, utilizando interferência construtiva para aumentar a porcentagem de chance de determinado resultado, ou utilizando da destrutiva para diminuir o de outro.

Por que são tão rápidos ?

Os computadores quânticos são mais rápidos por causa da base de seu funcionamento, com a superposição eles conseguem realizar cálculos de maneira simultânea e com a interferência manipular as probabilidades para atingir o resultado esperado, acelerando bastante a obtenção de um resultado se comparado ao formato serial (executa tarefas passo a passo)do computador clássico.

Analogias:

Imagine uma lista com 1000 nomes e deles você deseja encontrar um específico. Um computador clássico iria ler nome por nome até encontrar perfeitamente o que você procura, enquanto um computador quântico poderia apenas procurar a função de onda que mais se enquadra ao procurado, agilizando a pesquisa.

Agora um exemplo real, o Sycamore da Google que foi mostrado anteriormente, ele foi capaz de resolver um cálculo que demoraria dez mil anos para ser feito em computadores clássicos de alto desempenho em apenas 200 segundos.

Aplicações:

Obviamente esses computadores quânticos só podem ser desenvolvidos em ambiente controlado capaz de simular as condições necessárias para o funcionamento do qubit, portanto, seu uso está longe de ser acessível ao ambiente doméstico, sendo realizado apenas em laboratórios. Mas deixando isso de lado, vamos falar sobre algumas aplicações em potencial para o computador quântico: Inteligência Artificial, Machine Learning, Desenvolvimento de remédios, Segurança Cibernética, Clima, Setor Financeiro.

Problemas para integração:

Com tudo isso dito, vale ressaltar que a implantação do computador quântico é um desafio, uma vez que, diferentemente do computador clássico, este não apresenta um modelo de arquitetura a seguir como o de Von Neumann. E o maior desafio é sem dúvidas simular o ambiente quântico para o funcionamento correto do computador, sendo necessárias temperaturas próximas do 0 absoluto, sem radiação, sem luz, sem ruído, sem partículas. Além, é claro, da escalabilidade por causa da dificuldade da implantação e manutenção dessa simulação.

Texto por: Cristiano Gregory Camandaroba