Computação Quântica

   Se fôssemos apostar em um ramo da ciência que pode mudar o mundo como o conhecemos de forma drástica no futuro, um seria certamente a Computação Quântica. Isso porque computadores quânticos exploram os princípios da mecânica quântica para realizar cálculos de forma muito mais rápida que qualquer computador clássico (pelo menos em algumas tarefas) [1].

   Em 1965, o engenheiro da IBM Gordon Moore observou que o tamanho dos transistores, que representam um bit de informação, estavam ficando cada vez menores, ao passo que a velocidade do processamento de informação aumentava [2]. Isso implicaria que em algum momento o limite de um bit por átomo seria atingido. Nessa escala de tamanho, era natural pensar que a mecânica quântica teria uma influência importante [3].

   Na década de 1970, foi idealizado o algoritmo de Solovay-Strassen, que usava a aleatoriedade para determinar se um número era primo ou composto. Desta forma, ele não dizia com certeza se um número era primo ou não, mas dava uma probabilidade. Na época, porém, não existia um dispositivo determinístico capaz de fazer esse processo. Ainda, em 1982, Richard Feynman propôs que os computadores clássicos seriam incapazes de simular sistemas quânticos de forma eficiente [4].

   Desta forma, em 1985, David Deutsch se questionou se seria possível construir uma máquina de Turing usando as leis da física que tivesse comportamento probabilístico. Isso ganhou mais força quando Peter Shor, em 1994, desenvolveu um algoritmo para encontrar fatores primos de números inteiros, e demonstrou que isso seria facilmente resolvido em um computador quântico. Outra grande contribuição foi a de Lov Grover, que mostrou que um computador quântico seria muito mais eficiente em realizar uma busca em uma lista desordenada [4].

   Mas afinal, por que computadores quânticos são tão mais rápidos que aqueles que temos em casa? Um computador tradicional funciona baseado em bits que só podem assumir os estados 0 e 1, a base binária. Já em um computador quântico, um qubit (bit quântico) pode estar nos dois estados, 0 e 1, ao mesmo tempo, num chamado estado de superposição. Nos só saberemos o estado de um qubit opós realizarmos uma medida, que terá certa probabilidade de resultar 0 ou 1. Se adicionarmos um segundo qubit, o sistema poderá estar em uma superposição de 4 estados: 00, 01, 10 e 11. Para encurtar a história, podemos dizer que um computador quântico consegue realizar muitos cálculos simultaneamente e encontrar a solução de um problema baseando-se em probabilidades [1,3].

   Isso tem uma aplicação especialmente importante no processo de dobramento de proteínas, já que, se esta for formada por uma cadeia de 100 aminoácidos, pode dobrar-se de trilhões de maneiras diferentes. Encontrar a combinação de dobras que requer a menor energia para acontecer, por exemplo, não seria possível em um computador clássico, já que ele teria que analisar cada combinação de forma individual [1].

   Uma aplicação preocupante dos computadores quânticos é que no futuro eles podem ser capazes de quebrar a criptografia RSA, que se baseia na fatoração de números primos muito grandes para manter um canal de comunicação seguro. Para se ter comparação, um supercomputador atual (cluster¹ de computadores clássicos) levaria cerca de 16 milhões de anos para fazer tal processo [3].

   Apesar de hoje já existirem computadores quânticos, eles ainda têm muitas limitações: os sistemas quânticos são altamente sensíveis ao ambiente externo; o número de qubits em um processador ainda é pequeno (da ordem de centenas), e para resolver problemas práticos é necessário um número da ordem de milhares ou milhões de qubits. [3,5]. Além disso, sua construção é difícil: eles só funcionam em temperaturas próximas ao zero absoluto, atingidas por meio de superfluidos², e utilizam materiais supercondutores [1].

   Grandes empresas como IBM e Google estão investindo muito em pesquisas na área de computação quântica. Entretanto, com a tecnologia e conhecimentos atuais, a computação quântica está muito distante de ter uma real influência na vida das pessoas. Fazendo uma comparação com a história dos computadores tradicionais, seria como se tivéssemos as primeiras válvulas [5].

Texto por: Cristhian Gean Batista Guimarães.

¹ Cluster = sistema que relaciona dois ou mais computadores que trabalham de maneira conjunta [6].
² Superfluido = líquido em baixa em temperatura que se comporta como um fluido de viscosidade nula [7].

Referências:

[1] O que é computação quântica?. IBM. Disponível em: <https://www.ibm.com/br-pt/topics/quantum-computing>. Acesso em: 07 de jul. de 2023.

[2] KELLEHER, A. Lei de Moore – Agora e no Futuro. INTEL, 2022. Disponível em: https://www.intel.com.br/content/www/br/pt/newsroom/opinion/moore-law-now-and-in-the-future.html. Acesso em: 07 de jul. de 2023.

[3] Veritasium. How Quantum Computers Break The Internet… Starting Now. YouTube,  20 de mar. de 2023. Disponível em: https://youtu.be/-UrdExQW0cs.  Acesso em: 07 de jul. de 2023.

[4] NIELSEN, M. A., CHUANG, I. L. Computação Quântica e Informação Quântica. Porto Alegre: Bookman, 2005.

[5] BARBOSA, A. O que é computação quântica?. Forbes, 2023. Disponível em: https://forbes.com.br/forbes-tech/2023/06/o-que-e-computacao-quantica/. Acesso em: 07 de jul. de 2023.

[6] O que é Cluster. UFES – Divisão de TI. Disponível em: https://cti.saomateus.ufes.br/o-que-%C3%A9-cluster. Acesso em: 11 de jul. de 2023.

[7] TIPLER, P. A., LLEWELLYN, R. A. Modern Physics. 5a eq. New York: W. H. Freeman and Company, 2008.