A computação quântica está moldando o futuro? História, Desafios, Riscos e Benefícios

Não muito tempo atrás, as limitações dos computadores clássicos levaram os cientistas a desenvolver um novo tipo de computação – a computação quântica. Os computadores quânticos usam qubits em vez de bits clássicos e podem realizar certos cálculos muito mais rápido do que os computadores clássicos. Esta vantagem pode potencialmente transformar inúmeras esferas e tornar a nossa vida melhor. Neste artigo, forneceremos uma visão geral da computação quântica, incluindo setores e campos que poderiam ser revolucionados pela computação quântica. Discutiremos também os desafios e riscos associados a esta tecnologia, bem como o que o futuro lhe reserva.

Interior de um sistema de computação IBM Quantum. (Crédito: IBM )

O que é computação quântica?

A computação percorreu um longo caminho desde que a teoria quântica foi desenvolvida na década de 1920 e o primeiro computador programável, o Integrador Numérico Eletrônico e Computador ( ENIAC ), foi construído em 1945. A máquina foi a primeira "automática, de uso geral, eletrônica, decimal, computador digital", de acordo com o livro de Edwin D. Reilly "Milestones in Computer Science and Information Technology". O que exatamente é a computação quântica? Em resumo, é uma tecnologia emergente que aproveita as leis da mecânica quântica para resolver problemas complexos de uma forma mais eficiente e poderosa do que os computadores clássicos. Para alguns problemas, os supercomputadores não são tão bons assim. Em sua essência, a computação quântica depende do uso de bits quânticos (qubits) para processar e manipular informações. Ao contrário dos bits clássicos, que só podem existir em um dos dois estados (0 ou 1), os qubits podem existir em vários estados simultaneamente devido ao fenômeno da superposição. Isso permite que computadores quânticos realizem muitos cálculos simultaneamente. Outro princípio fundamental da computação quântica é o emaranhamento , que permite que os qubits se tornem correlacionados de tal forma que o estado de um qubit pode afetar instantaneamente o estado de outro, mesmo que estejam fisicamente separados. Isto permite que os computadores quânticos executem certas tarefas muito mais rapidamente do que os supercomputadores – fatoração de grandes números, pesquisa em grandes bases de dados, etc.

Como funcionam os computadores quânticos?

Como acabamos de mencionar, os computadores quânticos usam qubits em vez de bits para executar algoritmos quânticos multidimensionais. Qubits são criados usando supercondutores, que exibem efeitos mecânicos quânticos, como pares de Cooper, que podem transportar carga através de isoladores por meio de tunelamento quântico. O comportamento dos qubits pode ser controlado e manipulado disparando fótons de micro-ondas contra eles. Qubits podem ser colocados em estado de superposição, representando uma combinação de todas as configurações possíveis do qubit. Grupos de qubits em superposição podem criar espaços computacionais complexos que podem representar problemas complexos de novas maneiras. Os computadores quânticos são menores e requerem menos energia que os supercomputadores, mas precisam ser muito frios, o que é conseguido usando superfluidos super-resfriados.

Um close esquemático do qubit supercondutor da IBM, incluindo uma visão ampliada de sua junção Josephson

Estado Atual da Computação Quântica

A computação quântica é um campo em rápida evolução que irá revolucionar a forma de resolver problemas complexos. Várias empresas, incluindo IBM, Google e Rigetti, já construíram computadores quânticos e os utilizam. Esses computadores variam em tamanho de alguns qubits a mais de 100 qubits, e cada um tem sua própria arquitetura e conjunto de recursos exclusivos.

• Em 2017, Rigetti anunciou a disponibilidade beta pública do Forest 1.0, o primeiro ambiente de programação full-stack do mundo para computação quântica.
• O Sycamore do Google é um processador quântico que possui 53 qubits. Ele foi desenvolvido em 2019 e afirmava completar uma tarefa em 200 segundos que exigiria 10.000 anos para um supercomputador de última geração ser concluída.
• O computador quântico IBM Quantum System One também foi lançado pela IBM em 2019. Ele contém um processador quântico transmon de 20 qubits que está alojado em um sistema de computação de 2,7x2,7x2,7 metros. Curiosamente, a IBM anunciou o novo processador ‘Osprey’ de 433 qubit no IBM Quantum Summit 2022.

“O novo processador ‘Osprey’ de 433 qubits nos aproxima um passo do ponto em que os computadores quânticos serão usados ​​para resolver problemas anteriormente insolúveis”, – Dr. Darío Gil, vice-presidente sênior da IBM e diretor de pesquisa. Além dos desenvolvimentos de hardware, as ferramentas de software para computação quântica também estão avançando. Linguagens de programação como Q# e Qiskit permitem que os desenvolvedores escrevam programas quânticos e os executem em hardware ou simuladores quânticos. No entanto, a computação quântica ainda enfrenta alguns desafios e limitações. O principal é a correção de erros . À medida que um programa quântico é executado, os erros se acumulam rapidamente, representando desafios para os cientistas. Portanto, o desenvolvimento de métodos eficazes de correção de erros é crucial para a construção de computadores quânticos confiáveis ​​e em grande escala. Outra limitação significativa é a escalabilidade . Embora já existam computadores quânticos com dezenas ou centenas de qubits, construir um computador quântico em grande escala com milhares ou milhões de qubits ainda é um desafio. No entanto, há otimismo de que estes desafios serão superados nos próximos anos, abrindo caminho para uma adoção mais ampla da computação quântica. Os sistemas IBM Quantum prometem aumentar para mais de 4.000 qubits até 2025 e além.

Como a computação quântica está mudando o mundo? Aplicações da vida real

Dito isto, já existem vários casos de uso em diferentes indústrias onde a computação quântica está mostrando resultados surpreendentes.

Assistência médica

Uma das áreas mais promissoras é a saúde. Os computadores quânticos podem simular o comportamento de moléculas e materiais com mais precisão do que os computadores clássicos, o que poderia acelerar a descoberta de novos medicamentos e tratamentos para doenças. Por exemplo, algoritmos quânticos como o Variational Quantum Eigensolver (VQE) podem ser usados ​​para calcular a estrutura eletrônica das moléculas com mais precisão do que os métodos clássicos. Além disso, a computação quântica pode ser usada para analisar grandes conjuntos de dados de registros médicos e ensaios clínicos para identificar novos alvos para a descoberta de medicamentos. Outro exemplo de como a computação quântica poderia ser usada na área da saúde é através da triagem virtual de candidatos a medicamentos. Isto envolve pesquisar grandes bases de dados de medicamentos potenciais para identificar aqueles com as propriedades desejadas. A computação quântica é capaz de acelerar esse processo pesquisando com eficiência grandes quantidades de dados, levando a uma descoberta e desenvolvimento mais rápidos de medicamentos.

Finança

Outra aplicação importante da computação quântica pode residir na otimização de problemas, como os encontrados na esfera financeira. A computação quântica poderia ser usada para melhorar a modelagem financeira e o gerenciamento de riscos. Por exemplo, algoritmos quânticos podem ser utilizados para analisar rapidamente grandes conjuntos de dados e fazer previsões sobre tendências de mercado. Além disso, a criptografia quântica pode ser usada para proteger transações financeiras e proteger contra ameaças cibernéticas. A distribuição quântica de chaves (QKD) é uma técnica que usa os princípios da mecânica quântica para transmitir com segurança chaves de criptografia entre duas partes. O QKD aproveita o poder dos qubits emaranhados para criar uma chave que é impossível de interceptar sem ser detectada.

Logística

A computação quântica pode ser potencialmente usada para otimizar o gerenciamento da cadeia de suprimentos, reduzindo custos de transporte e melhorando os prazos de entrega. Por exemplo, algoritmos quânticos podem ser usados ​​para analisar rapidamente as rotas mais eficientes para transporte e distribuição. Além disso, a computação quântica poderia ser usada para resolver problemas complexos de programação, como aqueles encontrados na programação de companhias aéreas e ferroviárias.

Energia

Algoritmos quânticos podem ser usados ​​para simular o comportamento de materiais utilizados em dispositivos de armazenamento de energia, levando ao desenvolvimento de baterias mais eficientes. Além disso, a computação quântica poderia ser usada para otimizar a produção de energia, analisando padrões climáticos e prevendo a demanda energética.

Fabricação

Como a computação quântica é capaz de analisar grandes conjuntos de dados e prever cronogramas de produção ideais, ela também pode ser de grande utilidade na fabricação. Como você pode ver, as aplicações potenciais da computação quântica são vastas e há muitos setores que podem ser transformados por esta tecnologia.

“Medos” do Futuro

De tudo isto, é fácil concluir que o impacto da computação quântica na sociedade será significativo. E, tal como acontece com qualquer outra tecnologia revolucionária, existem alguns riscos associados à computação quântica. Um dos desafios mais significativos são as implicações éticas e sociais da tecnologia. A computação quântica tem o potencial de quebrar muitos dos métodos de criptografia usados ​​para proteger dados confidenciais, o que pode levar a violações de privacidade e outras preocupações de segurança. Além disso, a computação quântica poderia ser utilizada para desenvolver novas armas e tecnologias que possam representar uma ameaça à segurança global.

Resumo

Embora a computação quântica apresente vários desafios e riscos, muitas organizações estão a trabalhar ativamente para os resolver, desenvolvendo novos métodos de encriptação, melhorando hardware e software quânticos, bem como proporcionando oportunidades de formação e educação. Portanto, acreditamos que a computação quântica revolucionará o mundo no bom sentido. Ao desenvolver tecnologias quânticas robustas e confiáveis, podemos desbloquear todo o potencial da computação quântica e criar um futuro melhor para a computação e a sociedade como um todo. A hora de agir é agora, então continue descobrindo o mundo da tecnologia com CodeGym!