Computação quântica. Um pouco de um imenso a ser entendido.

A computação quântica é um dos assuntos do mundo da tecnologia que entrou na trend dos mais falados ultimamente, mas não é de hoje que se pesquisa o mundo quântico. Desde as primeiras citações sobre o assunto até os dias atuais, já se passaram mais de 100 anos. Contudo foi quando suas aplicações começaram a ser usadas mais próximas de situações cotidianas que o assunto ganhou mais relevância na mídia geral. 

A computação já faz parte do nosso comportamento diário a muitos anos. Grande parte da população consome e gera informações sem ter a mínima noção de como tudo isso funciona, e eu sinto em dizer, que com a chegada da computação quântica, esse ‘não entendimento’ tende a crescer ainda mais, a não que ser que você se dedique sobre o assunto. 

Pra ajudar nessa compreensão é preciso relembrar alguns conceitos sobre computação, antes de entrar no caminho rumo a quântica.

Computar significa fazer cálculos e computador, em sua função elementar, seria o “mecanismo ou máquina que auxilia essa tarefa, com vantagens no tempo gasto e na precisão.” É preciso relembrar esses conceitos pra que você não esqueça que é isso que está sendo feito constantemente nas unidades de processamento. O divisor de águas está no sistema numérico utilizado para fazer todos esses cálculos, o sistema binário.

Esse sistema foi desenvolvido com a crença de ser a base ideal para a representação de informações, pela simplicidade e facilidade de entendimento, antes mesmo dos primeiros computadores. A história aponta o ENIAC como o primeiro computador a utilizar o código binário. Um dos motivos, além dos já descritos, era a sua facilidade de ser traduzido em circuitos elétricos, (1= presença de corrente e 0 = ausência de corrente).

É através de seu circuito elétrico contendo diversos microcomponentes, que o registro, a leitura, o cálculo, dentre diversas outras ações são processados. O transistor desempenha papel primordial funcionando principalmente como uma chave (liga =1, desliga =0). A “linguagem” que conversa com tudo isso é a lógica booleana, operando as sequências de 0 e 1 através de um processamento sequencial e linear. É por conta dessa linearidade dos computadores tradicionais que o computador quântico sai na frente para certos tipos de problemas, pois vai num caminho diferente.

Fotografia do computador quântico da IBM.

Computador quântico, difere do tradicional por utilizar o comportamento de partículas atômicas e subatômicas, a exemplo de moléculas, átomos, fótons, elétrons e íons no processamento de informações. Essas partículas estão sendo estudadas em centenas de aplicações diferentes, e ainda não se sabe o porquê de determinados comportamentos apresentados, mas dois desses estão sendo explorados na computação: a superposição e o emaranhamento quântico.

SUPERPOSIÇÃO

A superposição descreve a capacidade de uma partícula estar em diversos estados simultaneamente, até o momento que se tenta medir os valores de suas grandezas, ação que gera o colapso desse equilíbrio de múltiplos estados, fazendo com que ele se apresente em apenas um deles. Vale lembrar que num sistema clássico, explicado pela mecânica de newton, as grandezas físicas de um sistema são facilmente definidas, a exemplo do ângulo, posição, energia e aceleração.

Imagine um exemplo em que, uma bola de futebol é colocada no topo de uma ladeira. No momento inicial medimos seu estado (nesse caso simplificado, a sua posição e velocidade inicial). Logo depois ela é solta e desce a ladeira. Utilizando equações de movimento, conseguimos observar a evolução dessas grandezas e prever através de equações, e mais algumas informações necessárias, a posição e a velocidade final dessa bola com bastante precisão.

Na mecânica quântica, também há a evolução desses estados das partículas, entretanto os valores medidos de suas grandezas são números complexos, limitados por incertezas (ver princípio de incerteza de Heisenberg) e apenas apresentam probabilidades de encontrar os valores esperados.

Ou seja, diferente da exatidão da mecânica de newton em que se encontraria a velocidade final no exemplo apresentado, na mecânica quântica é possível apenas estimar a probabilidade de encontrar um determinado valor da grandeza medida.

Mesmo sem todas as respostas, cientistas já conseguiram desenvolver aplicações computacionais em cima dessas probabilidades. Na computação que conhecemos, os sistemas elétricos construídos com base no (liga-1, desliga-0), espera-se como resposta 0 ou 1, e em cima disso, desenvolvemos uma gama de sistemas de tomadas de decisões conectando lógica de programação e cálculos matemáticos.

Na computação quântica que usa a medição do comportamento dessas partículas, usa-se a ideia de probabilidade. Um bit-quântico tem 50% de chance de apresentar um resultado (1) e 50% de chances de apresentar resultado (0), ou seja, dois estados em uma única partícula. Vale lembrar que esse conceito está simplificado, mas creio que já dá pra entender melhor a superposição.

ENTRELAÇÃMENTO

Outro comportamento quântico explorado é o entrelaçamento, que descreve uma profunda conexão entre partículas, ou seja, mesmo que separadas em imensas distâncias é possível prever o comportamento de segunda partícula com base no comportamento da outra que está entrelaçado a ela. A utilização dessas duas características quânticas são a base da computação quântica, que através de algoritmos especiais, correlacionam esses comportamentos com a lógica de programação, permitindo que o computador quântico execute cálculos de probabilidade com uma velocidade muito maior que os super computadores da atualidade.

Impactos na comuniçação

Os avanços dessa tecnologia, que continua se aprimorando, já se multiplica em diversas áreas a exemplo da comunicação que pode se utilizar desse entrelaçamento, para transmitir informações de um ponto a outro sem a necessidade de meio físico ou o risco de interceptação.

Estudo de sistemas complexos

A simulação de sistemas complexos como o desenvolvimento de novos medicamentos, já que esse sistema consegue processar uma quantidade de dados de forma simultânea com muito mais eficiência. Os estudos do clima, sistema super complexo, tende a se desenvolver bastante com essa nova maneira de processar dados.

Esses exemplos são apenas a ponta de um imenso iceberg que está gerando uma corrida no mundo científico para desenvolver as primeiras aplicações nessa tecnologia que tem força para mudar o mundo como conhecemos atualmente.