Em 1981, o físico americano e o ganhador do Nobel, Richard Feynman, deu uma palestra no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), perto de Boston, na qual ele descreveu uma idéia revolucionária. Feynman sugeriu que a estranha física da mecânica quântica poderia ser usada para realizar cálculos.
Nasceu o campo da computação quântica. Nos mais de 40 anos desde então, tornou-se uma área intensiva de pesquisa em ciência da computação. Apesar dos anos de desenvolvimento frenético, os físicos ainda não construíram computadores quânticos práticos que são adequados para uso diário e condições normais (por exemplo, muitos computadores quânticos operam a temperaturas muito baixas). Perguntas e incertezas ainda permanecem sobre as melhores maneiras de alcançar esse marco.
O que exatamente é a computação quântica e quão perto estamos de vê -los entrar em uso amplo? Vamos primeiro olhar para a computação clássica, o tipo de computação em que confiamos hoje, como o laptop que estou usando para escrever esta peça.
Os computadores clássicos processam as informações usando combinações de “bits”, suas menores unidades de dados. Esses bits têm valores de 0 ou 1. Tudo o que você faz no seu computador, desde escrever e -mails até a navegação na Web, é possível processando combinações desses bits em cordas de zeros e outros.
Os computadores quânticos, por outro lado, usam bits quânticos ou qubits. Ao contrário dos bits clássicos, os qubits não representam apenas 0 ou 1. Graças a uma propriedade chamada Superposição Quantum, os qubits podem ser em vários estados simultaneamente. Isso significa que um qubit pode ser 0, 1 ou ambos ao mesmo tempo. É isso que oferece aos computadores quânticos a capacidade de processar grandes quantidades de dados e informações simultaneamente.
Imagine ser capaz de explorar todas as soluções possíveis para um problema de uma só vez, em vez de uma vez por vez. Isso permitiria que você navegue por um labirinto, tentando simultaneamente todos os caminhos possíveis ao mesmo tempo para encontrar o certo. Os computadores quânticos são, portanto, incrivelmente rápidos em encontrar soluções ideais, como identificar o caminho mais curto, a maneira mais rápida.
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Pense no problema extremamente complexo de reagendar voos de companhias aéreas após um atraso ou um incidente inesperado. Isso acontece com a regularidade no mundo real, mas as soluções aplicadas podem não ser as melhores ou ideais. Para elaborar as respostas ideais, os computadores padrão precisariam considerar, um por um, todas as combinações possíveis de vôos de movimentação, redirecionamento, atraso, cancelamento ou agrupamento.
Todos os dias, existem mais de 45.000 vôos, organizados por mais de 500 companhias aéreas, conectando mais de 4.000 aeroportos. Esse problema levaria anos para resolver um computador clássico.
Por outro lado, um computador quântico seria capaz de tentar todas essas possibilidades de uma só vez e deixar a melhor configuração emergir organicamente. Os qubits também têm uma propriedade física conhecida como emaranhamento. Quando os qubits estão enredados, o estado de um qubit pode depender do estado de outro, não importa o quão distante eles estejam.
Isso é algo que, novamente, não tem contrapartida em computação clássica. O emaranhado permite que os computadores quânticos resolvam certos problemas exponencialmente mais rápidos do que os computadores tradicionais.
Uma pergunta comum é se os computadores quânticos substituirão completamente os computadores clássicos ou não. A resposta curta é não, pelo menos não no futuro próximo. Os computadores quânticos são incrivelmente poderosos para resolver problemas específicos – como simular as interações entre diferentes moléculas, encontrar a melhor solução de muitas opções ou lidar com criptografia e descriptografia. No entanto, eles não são adequados para todos os tipos de tarefas.
Os computadores clássicos processam um cálculo por vez em uma sequência linear e seguem algoritmos (conjuntos de regras matemáticas para realizar tarefas de computação específicas) projetadas para uso com bits clássicos que são 0 ou 1. Isso os torna extremamente previsíveis, robustos e menos propenso a erros do que máquinas quânticas. Para necessidades diárias de computação, como processamento de texto ou navegação na Internet, os computadores clássicos continuarão a desempenhar um papel dominante.
Existem pelo menos duas razões para isso. O primeiro é prático. Construir um computador quântico que pode executar cálculos confiáveis é extremamente difícil. O mundo quântico é incrivelmente volátil, e os qubits são facilmente perturbados por coisas em seu ambiente, como a interferência da radiação eletromagnética, o que os torna propensos a erros.
A segunda razão está na incerteza inerente ao lidar com qubits. Como os qubits estão em superposição (não são 0 ou 1), eles não são tão previsíveis quanto os bits usados na computação clássica. Os físicos descrevem, portanto, qubits e seus cálculos em termos de probabilidades. Isso significa que o mesmo problema, usando o mesmo algoritmo quântico, executado várias vezes no mesmo computador quântico pode retornar uma solução diferente a cada vez.
Para abordar essa incerteza, os algoritmos quânticos geralmente são executados várias vezes. Os resultados são então analisados estatisticamente para determinar a solução mais provável. Essa abordagem permite que os pesquisadores extraem informações significativas dos cálculos quânticos inerentemente probabilísticos.
Do ponto de vista comercial, o desenvolvimento da computação quântica ainda está em seus estágios iniciais, mas a paisagem é muito diversa, com muitas novas empresas que aparecem todos os anos. É fascinante ver que, além de grandes empresas estabelecidas, como IBM e Google, as novas estão ingressando, como IQM, Pasqal e startups como Alice e Bob. Todos estão trabalhando para tornar os computadores quânticos mais confiáveis, escaláveis e acessíveis.
No passado, os fabricantes chamaram a atenção para o número de qubits em seus computadores quânticos, como uma medida de quão poderosa é a máquina. Os fabricantes estão cada vez mais priorizando maneiras de corrigir os erros aos quais os computadores quânticos são propensos. Essa mudança é crucial para o desenvolvimento de computadores quânticos tolerantes a falhas em larga escala, pois essas técnicas são essenciais para melhorar sua usabilidade.
O mais recente chip quântico do Google, Willow, demonstrou recentemente progresso notável nessa área. Quanto mais qubits o Google usou em Willow, mais ele reduzia os erros. Essa conquista marca um passo significativo para a construção de computadores quânticos comercialmente relevantes que podem revolucionar campos como medicina, energia e IA.
Após mais de 40 anos, a computação quântica ainda está em sua infância, mas o progresso significativo é esperado na próxima década. A natureza probabilística dessas máquinas representa uma diferença fundamental entre a computação quântica e clássica. É o que os torna frágeis e difíceis de desenvolver e escalar.
Ao mesmo tempo, é o que os torna uma ferramenta muito poderosa para resolver problemas de otimização, explorando várias soluções ao mesmo tempo, mais rápido e com mais eficiência que os computadores clássicos podem.
Domenico Vicinanza, Professor Associado de Sistemas Inteligentes e Ciência de Dados, Universidade Anglia Ruskin
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