Os computadores quânticos um dia ultrapassarão os supercomputadores mais rápidos do planeta, mas o que eles serão usados para realizar?
Com informações de Live Science.
As empresas de tecnologia estão despejando bilhões de dólares em computação quântica, apesar da tecnologia ainda estar a anos de distância de aplicações práticas. Então, para que os futuros computadores quânticos serão usados — e por que tantos especialistas estão convencidos de que eles mudarão o jogo?
Construir um computador que aproveite as propriedades incomuns da mecânica quântica é uma ideia que está em disputa desde a década de 1980. Mas nas últimas duas décadas, os cientistas fizeram avanços significativos na construção de dispositivos de larga escala. Agora, uma série de gigantes da tecnologia, do Google à IBM, bem como várias startups bem financiadas, investiram somas significativas na tecnologia — e criaram várias máquinas individuais e unidades de processamento quântico (QPUs).
Em teoria, os computadores quânticos poderiam resolver problemas que estão além até mesmo do computador clássico mais poderoso. No entanto, há um amplo consenso de que tais dispositivos precisarão se tornar muito maiores e mais confiáveis antes que isso possa acontecer. Uma vez que isso aconteça, no entanto, há esperança de que a tecnologia quebre uma série de desafios atualmente insolúveis em química, física, ciência dos materiais e até mesmo aprendizado de máquina.
“Não é apenas como um computador clássico rápido, este é um paradigma completamente diferente”, disse Norbert Lütkenhaus, diretor executivo do Instituto de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, à Live Science. “Os computadores quânticos podem resolver algumas tarefas de forma eficiente que os computadores clássicos simplesmente não conseguem fazer.”
O estado atual da arte
O bloco de construção mais fundamental de um computador quântico é o qubit — uma unidade de informação quântica que é comparável a um bit em um computador clássico, mas com a incrível capacidade de representar uma combinação complexa de 0 e 1 simultaneamente. Qubits podem ser implementados em uma ampla gama de hardwares diferentes, incluindo circuitos supercondutores, íons presos ou mesmo fótons (partículas de luz).
Os maiores computadores quânticos de hoje acabaram de cruzar a marca de 1.000 qubits , mas a maioria apresenta apenas algumas dezenas ou centenas de qubits. Eles são muito mais propensos a erros do que os componentes de computação clássicos devido à extrema sensibilidade dos estados quânticos ao ruído externo, que inclui mudanças de temperatura ou campos eletromagnéticos dispersos. Isso significa que atualmente é difícil executar grandes programas quânticos por tempo suficiente para resolver problemas práticos.
Isso não significa que os computadores quânticos de hoje sejam inúteis, no entanto, disse William Oliver, diretor do Center for Quantum Engineering no Massachusetts Institute of Technology (MIT) nos EUA. “O que os computadores quânticos são usados hoje é basicamente para aprender como tornar os computadores quânticos maiores, e também para aprender como usar computadores quânticos”, disse ele em uma entrevista ao Live Science.
Construir processadores cada vez maiores fornece insights cruciais sobre como projetar máquinas quânticas maiores e mais confiáveis e fornece uma plataforma para desenvolver e testar novos algoritmos quânticos. Eles também permitem que pesquisadores testem esquemas de correção de erros quânticos, que serão cruciais para atingir a promessa completa da tecnologia. Isso normalmente envolve espalhar informações quânticas por vários qubits físicos para criar um único “qubit lógico”, que é muito mais resiliente.
Lütkenhaus disse que avanços recentes nessa área sugerem que a computação quântica tolerante a falhas pode não estar tão distante. Várias empresas, incluindo QuEra , Quantinuum e Google demonstraram recentemente a capacidade de gerar qubits lógicos de forma confiável. Aumentar a escala para milhares, se não milhões, de qubits que precisamos para resolver problemas práticos levará tempo e muito esforço de engenharia, diz Lütkenhaus. Mas uma vez que isso for alcançado, uma série de aplicações interessantes surgirão.
Onde a quântica pode mudar o jogo
O segredo do poder da computação quântica está em um fenômeno quântico conhecido como superposição, disse Oliver. Isso permite que um sistema quântico ocupe múltiplos estados simultaneamente até que seja medido. Em um computador quântico, isso torna possível colocar os qubits subjacentes em uma superposição representando todas as soluções potenciais para um problema.
“À medida que executamos o algoritmo, as respostas incorretas são suprimidas e as corretas são aprimoradas”, disse Oliver. “E assim, no final do cálculo, a única resposta sobrevivente é aquela que estamos procurando.”
Isso torna possível lidar com problemas muito vastos para serem trabalhados sequencialmente, como um computador clássico teria que fazer, Oliver acrescentou. E em certos domínios, os computadores quânticos poderiam realizar cálculos exponencialmente mais rápido do que seus primos clássicos conforme o tamanho do problema cresce.
Uma das aplicações mais óbvias está na simulação de sistemas físicos, disse Oliver, porque o mundo em si é governado pelos princípios da mecânica quântica. Os mesmos fenômenos estranhos que tornam os computadores quânticos tão poderosos também tornam a simulação de muitos sistemas quânticos em um computador clássico intratável em escalas úteis. Mas, como operam nos mesmos princípios, os computadores quânticos devem ser capazes de modelar o comportamento de uma ampla gama de sistemas quânticos de forma eficiente.
Isso pode ter um impacto profundo em áreas como química e ciência dos materiais, onde os efeitos quânticos desempenham um papel importante, e pode levar a avanços em tudo, desde tecnologia de baterias a supercondutores, catalisadores e até produtos farmacêuticos.
Os computadores quânticos também têm alguns usos menos saborosos. Com qubits suficientes, um algoritmo inventado pelo matemático Peter Shor em 1994 poderia quebrar a criptografia que sustenta grande parte da internet de hoje. Felizmente, pesquisadores criaram novos esquemas de criptografia que contornam esse risco, e no início deste ano o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) lançou novos padrões de criptografia “pós-quânticos” que já estão sendo implementados.
Possibilidades emergentes da computação quântica
Outras aplicações para computadores quânticos são, no momento, um tanto especulativas, disse Oliver.
Há esperanças de que a tecnologia possa ser útil para otimização, o que envolve buscar a melhor solução para um problema com muitas soluções possíveis. Muitos desafios práticos podem ser resumidos em processos de otimização, desde facilitar o fluxo de tráfego em uma cidade até encontrar as melhores rotas de entrega para uma empresa de logística. Construir o melhor portfólio de ações para uma meta financeira específica também pode ser uma aplicação possível.
Até agora, porém, a maioria dos algoritmos de otimização quântica oferece acelerações menores que exponenciais. Como o hardware quântico opera muito mais lentamente do que a eletrônica atual baseada em transistores, essas modestas vantagens de velocidade algorítmica podem desaparecer rapidamente quando implementadas em um dispositivo do mundo real.
Ao mesmo tempo, o progresso em algoritmos quânticos estimulou inovações na computação clássica. “À medida que os designers de algoritmos quânticos criam diferentes esquemas de otimização, nossos colegas em ciência da computação avançam seus algoritmos e essa vantagem que parecemos ter acaba evaporando”, acrescentou Oliver.
Outras áreas de pesquisa ativa com potencial menos claro a longo prazo incluem o uso de computadores quânticos para pesquisar grandes bancos de dados ou conduzir aprendizado de máquina, o que envolve analisar grandes quantidades de dados para descobrir padrões úteis. As acelerações aqui também são menos que exponenciais e há o problema adicional de traduzir grandes quantidades de dados clássicos em estados quânticos nos quais o algoritmo pode operar — um processo lento que pode rapidamente corroer qualquer vantagem computacional.
Mas ainda é cedo, e há muito espaço para avanços algorítmicos, disse Oliver. O campo ainda está no processo de descobrir e desenvolver os blocos de construção de algoritmos quânticos — procedimentos matemáticos menores conhecidos como “primitivos” que podem ser combinados para resolver problemas mais complexos.
“Precisamos entender como construir algoritmos quânticos, identificar e aproveitar esses elementos do programa, encontrar novos, se existirem, e entender como juntá-los para criar novos algoritmos”, diz Oliver.
Isso deve orientar o desenvolvimento futuro do campo, acrescentou Lütkenhaus, e é algo que as empresas devem ter em mente ao tomar decisões de investimento. “À medida que impulsionamos o campo para a frente, não se concentre muito cedo em problemas muito específicos”, disse ele. “Ainda precisamos resolver muitos problemas mais genéricos e então isso pode se ramificar em muitas aplicações.”
