Como a computação quântica pode mudar o mundo
A física quântica já causou um impacto significativo em nossas vidas. As invenções do laser e do transistor são, na verdade, uma consequência da teoria quântica – e como esses dois componentes são os blocos de construção básicos de todos os dispositivos eletrônicos atuais, o que você está testemunhando é basicamente “mecânica quântica em ação”.
Dito isso, a indústria quântica agora está pronta para revolucionar o mundo da computação, à medida que esforços substanciais estão sendo feitos para aproveitar o verdadeiro poder do reino quântico. A computação quântica pode encontrar aplicações em diversos setores, como segurança, saúde, energia e até mesmo na indústria de entretenimento.
Computadores quânticos vs. clássicos
A história da teoria quântica remonta a mais de um século. No entanto, o zumbido quântico atual se deve a recentes descobertas de pesquisas que sugerem que a incerteza, uma propriedade inerente das partículas quânticas, pode servir como uma arma poderosa para realizar o potencial quântico.
Como afirma a teoria, é aparentemente impossível saber todas as propriedades das partículas quânticas individuais (ou seja, elétrons ou fótons). Considere um exemplo de GPS clássico, onde ele pode prever com precisão a velocidade, localização e direção de seu movimento para você enquanto você chega ao destino desejado.
No entanto, um GPS quântico não pode determinar com precisão todas as propriedades acima para uma partícula quântica, pois as leis da física quântica não permitem que você faça isso. Isso dá origem a uma linguagem probabilística no mundo quântico, em vez da linguagem clássica da certeza.
Nesse caso, a linguagem probabilística implica atribuir probabilidades a diferentes propriedades das partículas quânticas, como velocidade, posição e direção do movimento, que são aparentemente difíceis de definir com certeza. Essa natureza probabilística das partículas quânticas dá origem a uma possibilidade que permite que tudo e qualquer coisa aconteça a qualquer momento.
À luz da computação, os 0's e 1's binários representados como qubits (bits quânticos), possuem a propriedade de serem 1 ou 0 em qualquer instante no tempo.
A representação acima deixa um gosto amargo na boca, pois nas máquinas clássicas os 0's e 1's estão ligados a interruptores e circuitos que ligam e desligam em instantes diferentes. Portanto, não saber seu estado exato (ou seja, ligado ou desligado) não parece sensato no contexto da computação.
Na verdade, isso pode causar erros de cálculo. No entanto, o processamento de informações no mundo quântico depende do conceito de incerteza quântica – em que a “superposição” de 0 e 1 não é um bug, mas sim um recurso. Ele permite um processamento de dados mais rápido e facilita uma comunicação mais rápida.
Na Cúspide da Computação Quântica
A consequência da propriedade probabilística da teoria quântica é que a cópia precisa da informação quântica é aparentemente impossível. Do ponto de vista da segurança, isso é significativo, pois os cibercriminosos que pretendem copiar chaves quânticas para criptografar e enviar mensagens acabariam falhando, mesmo se tivessem acesso a computadores quânticos.
É importante destacar aqui que essa criptografia de ponta (ou seja, método sofisticado para converter dados ou chaves secretas em um código que evita o acesso não autorizado) é resultado de leis da física e não dos algoritmos com script matemático usados hoje. Criptografias matemáticas podem ser quebradas com a ajuda de computadores poderosos; entretanto, quebrar a criptografia quântica exige a reescrita das leis fundamentais da física.
Como a criptografia quântica difere das técnicas de criptografia atuais, da mesma forma, os computadores quânticos diferem dos clássicos em um nível muito fundamental. Considere a analogia de um carro e um carro de boi. Aqui, um carro obedece a certas leis da física que o levam ao destino desejado em menos tempo do que a contraparte. A mesma filosofia se aplica a um computador quântico e a um computador clássico.
Um computador quântico aproveita a natureza probabilística da física quântica para realizar cálculos e processar dados de uma maneira única. Ele pode realizar tarefas de computação em um ritmo muito mais rápido e também dar um salto em conceitos tradicionalmente impossíveis, como o do teletransporte quântico. Esta forma de transmissão de dados pode abrir caminho para a Internet do futuro, ou seja, a Internet quântica.
O que um computador quântico poderia ser usado hoje?
Os computadores quânticos podem ser úteis para organizações de P&D, autoridades governamentais e instituições acadêmicas, pois podem ajudar a resolver problemas complexos com os quais os computadores atuais são difíceis de lidar.
Uma aplicação significativa poderia ser no desenvolvimento de medicamentos, em que ele poderia simular e analisar perfeitamente produtos químicos e moléculas enquanto as moléculas funcionam nas mesmas leis da física quântica que os computadores quânticos. Além disso, a simulação eficaz da química quântica pode ser possível, já que os supercomputadores mais rápidos não conseguem atingir a meta hoje.
Além disso, os computadores quânticos podem resolver problemas complexos de otimização e auxiliar na busca rápida de dados não classificados. Existem inúmeras aplicações nesse sentido, desde a classificação de dados aparentemente dinâmicos climáticos, de saúde ou financeiros até a otimização da logística ou do fluxo de tráfego.
Os computadores quânticos também são bons em reconhecer padrões em dados, como em problemas de aprendizado de máquina. Além disso, os computadores quânticos podem desempenhar um papel crucial no desenvolvimento de modelos para prever o futuro, como na previsão do tempo.
Preparando-se para o futuro quântico
À medida que a corrida por um futuro quântico assume o centro do palco, investidores e órgãos governamentais estão injetando bilhões de dólares em P&D quântico. Uma rede de comunicação global empregando distribuição de chaves quânticas baseada em satélite já foi implementada, abrindo caminho para novos desenvolvimentos.
Empresas como Google, Amazon, Microsoft, IBM e outras estão fazendo pesados investimentos no desenvolvimento de recursos de computação quântica, ou seja, hardware e software.
De acordo com Cosmos , uma equipe de pesquisadores na China construiu um computador quântico que completou um cálculo complexo em pouco mais de 60 minutos que levaria pelo menos 8 anos ou mais para um computador clássico ser concluído.
É um destaque dos desenvolvimentos da computação quântica que ocorreram nos últimos dois anos. Acredita-se que a comunidade científica finalmente alcançou a evasiva “vantagem quântica” – onde a computação quântica está em posição de resolver o problema mais sofisticado que a computação clássica poderia literalmente levar um tempo impraticável para compreender.
O marco quântico foi alcançado pela primeira vez pelo Google em 2019, onde eles usaram qubits que usavam a corrente para realizar cálculos. Mais tarde, em 2020, a equipe chinesa usou qubits fotônicos para acelerar o processo. Agora em 2021, outra equipe chinesa (liderada por Jian-Wei Pan da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Xangai) ultrapassou o Google novamente.
Em um artigo de pesquisa publicado no servidor de pré-impressão ArXiv , a equipe de pesquisa contribuinte revelou suas descobertas para a vantagem quântica em que eles usaram qubits supercondutores em um processador quântico chamado Zuchongzhi que consiste em 66 qubits. A equipe demonstrou que Zuchongzhi foi capaz de manipular 56 qubits para lidar com um problema computacional que visava testar o poder dos computadores.
Abraçando a Incerteza
O desenvolvimento acelerado no mundo da tecnologia quântica nos últimos cinco anos tem sido bastante empolgante. De acordo com o The Quantum Daily , espera-se que a indústria quântica tenha uma avaliação multibilionária até o final de 2030. Embora haja vários desafios práticos a serem superados antes da implantação em larga escala, o futuro parece brilhante.
Felizmente, a teoria quântica lança luz sobre o lado bom da “imprevisibilidade”. De acordo com a teoria, dois qubits podem ser travados um com o outro com uma probabilidade de que cada qubit permaneça indeterminado individualmente, mas está em sincronia com o outro quando visto como uma unidade – o que implica que ambos são 0 ou 1.
Essa imprevisibilidade individual e certeza combinada é chamada de “entrelaçamento” – uma ferramenta útil para a maioria dos algoritmos de computação quântica hoje. Conseqüentemente, ao lidar com a incerteza com cautela, as organizações podem entrar em forma para abraçar o futuro quântico.
