Como funciona o computador quântico?


Computador quântico é um dispositivo que executa cálculos fazendo uso direto de propriedades da Mecânica Quântica. Nesses computadores, nós temos os Qbits ao invés dos bits. Qbits não assumem apenas dois estados (0 ou 1) como os bits em nosso computador convencional. Eles podem estar em diversos estados entre 0 e 1 ao mesmo tempo. Mas como isso funciona? Para a construção do nosso computador quântico, podemos utilizar diversas partículas como bit quântico: prótons, fótons, elétrons, etc. Você talvez se lembre das aulas de Física e Química em que os elétrons dentro de um átomo têm um spin, que podem assumir um valor positivo ou negativo (0 ou 1). No entanto, ao analisar a fundo a mecânica das partículas, verificamos o princípio da sobreposição quântica. Esse elétron existe parcialmente em ambos os estados possíveis (0 ou 1) até ser medido. Com isso, atribuímos uma probabilidade dele estar em cada um desses estados.

quantico

Note que enquanto nosso computador armazena apenas 4 informações no caso acima, o computador quântico consegue armazenar “n” possibilidades para os mesmos dois bits disponíveis (com base nas probabilidades de alfa, beta, etc.). Ao extrapolarmos esse valor para o total de bits de um computador convencional, notamos que um computador quântico atinge um poder computacional infinitamente superior. Para quem quiser entender mais a fundo o funcionamento desses computadores, recomendamos assistir esse vídeo no Youtube.

A codificação em computadores quânticos também é diferente. Precisamos desenvolver algoritmos específicos para esses computadores, dado que os “circuitos” não funcionam com as mesmas portas lógicas (Nand, And, Or, Xor, etc.) que temos hoje.

Uma empresa canadense, D-Wave, criou o primeiro computador quântico para uso “comercial”. Sua última versão, D-Wave 2000q (com dois mil qbits) sai pela bagatela de 15 milhões de dólares. O computador com cerca de 3 metros de altura pode ser comprado, adquirido via leasing ou utilizado por cloud. A empresa oferece além do hardware, softwares específicos para seu uso e promove competições para incentivar avanços nessa tecnologia.

Esses computadores são exponencialmente mais rápidos que um computador convencional, mas não necessariamente ele irá rodar seus aplicativos do dia a dia de maneira mais rápida. Eles são eficientes para problemas extremamente complexos que exigem cálculos com força bruta que hoje nossas máquinas são incapazes de resolver em tempo hábil. E quais são esses problemas complexos que poderíamos atacar?

Química Quântica: Um grupo de pesquisa do Google, com o apoio de cientistas de Harvard, utilizou computadores quânticos para estudar a estrutura molecular e configuração dos elétrons no átomo. Esse estudo exige uma grande precisão para predizer quais são as taxas das reações químicas em nível molecular. Avanços nessa área beneficiará a indústria de energia solar, criação de novas medicamentos/vacinas, baterias convencionais, etc.

Criptografia: as técnicas contemporâneas de criptografia são vulneráveis aos computadores quânticos. Todo o nosso sistema bancário, sistemas de pagamento online e o próprio Bitcoin estariam em risco. Os métodos mais utilizados de criptografia são RSA e SHA. Um computador atual levaria bilhões de anos para quebrá-los, enquanto o computador quântico conseguiria analisar todas possibilidades em tempo recorde. Para garantir a segurança da rede e sistemas atuais, já estão sendo criados métodos de criptografia quântica, como o QKD.

Previsão do Tempo: estima-se que cerca de 30% do PIB americano (e muito provavelmente de outros grandes países) é direta ou indiretamente afetado pelas condições climáticas. No entanto, sua previsibilidade de médio prazo é extremamente difícil, pois são inúmeras variáveis que compõe as equações de estudo climático.

Planejamento do Trânsito: A Volkswagen desenvolveu um algoritmo no computador D-Wave com dados de 10.000 taxistas de Pequim para otimizar a rota de cada carro. Eles afirmam ter reduzido o trânsito da cidade com essa aplicação.

Inteligência Artificial: Diversos algoritmos de aprendizado de máquina, Redes Neurais por exemplo, analisam as probabilidades de uma infinidade de combinação de dados para encontrar o melhor output. Os computadores quânticos executarão essas tarefas de maneira muito mais rápida. Como já discutido em nosso blog, as aplicações de inteligência artificial são vastas, desde carros autônomos até Direito.

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