O que é um processador quântico?

Em Tecnologias inovadoras por André M. Coelho

Embora a ideia da computação quântica já exista há um bom tempo, estamos começando a ver mais sobre ela na mídia. Parte essencial desse novo conceito são os processadores quânticos. Mas o que são os processadores quânticos e como funciona esse tipo de computação? Vamos entender.

O que é computação quântica?

A computação quântica está essencialmente aproveitando e explorando as leis da mecânica quântica para processar informações. Um computador tradicional usa longas sequências de “bits”, formadas por um zero ou um. Um computador quântico, por outro lado, usa bits quânticos ou qubits. Qual é a diferença? Bem, um qubit é um sistema quântico que codifica o zero e o um em dois estados quânticos distinguíveis. Mas, como os qubits se comportam quanticamente, é possível interpretar e usar os fenômenos de superposição e emaranhamento.

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Você pode estar confuso por esses conceitos, uma vez que não convivemos com eles em nossas vidas. É somente quando você olha as partículas quânticas mais minúsculas (átomos, elétrons, fótons e similares) que você vê coisas intrigantes como a superposição e o emaranhamento.

A superposição é essencialmente a capacidade de um sistema quântico estar em vários estados ao mesmo tempo. Traduzindo, algo pode estar “aqui” e “lá”, ou “para cima” e “para baixo” ao mesmo tempo. O entrelaçamento é uma correlação extremamente forte que existe entre partículas quânticas. Tão fortes, de fato, que duas ou mais partículas quânticas podem estar ligadas em uníssono perfeitamente, mesmo se separadas por grandes distâncias. As partículas são tão intrinsecamente conectadas que podem receber comandos para agirem ao mesmo tempo e em sincronia, mesmo quando colocadas em extremidades opostas.

Esses efeitos quânticos são importantes não apenas porque são únicos e incríveis de acontecer, mas porque são extremamente úteis para o futuro da tecnologia de computação e comunicações. Graças à superposição e ao emaranhamento, um computador quântico pode processar um grande número de cálculos simultaneamente. Pense dessa forma: enquanto um computador clássico trabalha com uns e zeros, um computador quântico terá a vantagem de usar uns, zeros e “superposições” de uns e zeros. Determinadas tarefas difíceis que há muito se consideram impossíveis para computadores clássicos serão alcançadas rápida e eficientemente por um computador quântico.

Vamos tentar explicar da seguinte forma: hoje, um computador só consegue fazer cálculos usando 1 e 0, ou comandos de “ligado” e “desligado”. Para conseguir processar mais cálculos, ou você precisa de processadores maiores ou de ter disponível mais de um processador para dividir a tarefa de calcular algo mais complexo. Com um computador quântico, você tem um processador que é capaz de entender mais estados além do 0 e do 1. Essa possibilidade resulta em processadores menores, mas muito mais capazes até mesmo do que grupos de processadores tradicionais.

A computação quântica está ganhando espaço e com o advento dos processadores quânticos, é possível que em alguns anos teremos esses produtos em nossas casas. (Foto: Business Insider)

O que um processador quântico pode fazer que um processador tradicional não pode?

Entenda primeiro que o processador é uma calculadora ultra potente. Entendendo isso, fica mais fácil para compreender as diferenças entre o processador tradicional e o processador quântico. Este é capaz de fatorar grandes números, para início de conversa. Multiplicar dois grandes números é fácil para qualquer computador. Mas calcular os fatores de um número muito grande (mais de 500 dígitos, por exemplo) é considerado impossível para qualquer computador clássico. Com um processador quântico totalmente funcional estiver disponível, fatorar grandes números é muito mais fácil.

Mesmo para os melhores computadores do mundo de hoje é difícil fatorar grandes números. Na verdade, a dificuldade de fatorar números grandes é um elemento básico para a maior parte da nossa criptografia atual. Ela é baseada em problemas de matemática que são muito difíceis de resolver. Por exemplo, o método usado para criptografar seu número de cartão de crédito quando você compra online depende completamente de um problema de fatoração. O site do qual você deseja fazer uma compra dá uma grande chave “pública” (que qualquer pessoa pode acessar) para codificar suas informações de cartão de crédito. Essa chave é o produto de dois números primos muito grandes, conhecidos apenas pelo site. A única maneira que alguém poderia interceptar suas informações é saber aqueles dois números primos que se multiplicam para criar a chave. Como a fatoração é muito difícil, ninguém será capaz de acessar seu número de cartão de crédito e sua conta bancária estará segura, a menos que alguém construa um computador quântico e execute o algoritmo para tentar encontrar esse número primo.

Um processador quântico então poderá obter meus dados pessoais mais facilmente?

Embora certos aspectos da criptografia clássica estejam comprometidos pela computação quântica, a mecânica quântica também permite um novo tipo de criptografia altamente segura. Vejamos um protocolo criptográfico comum chamado o bloco de tempo único. Digamos que duas partes compartilham uma longa sequência de zeros aleatórios e uns, que é a chave secreta para a criptografia. Contanto que eles só usem essa chave uma vez e eles sejam os únicos que conhecem esta chave, eles podem transmitir uma mensagem secreta de tal forma que nenhum espião será capaz de decifrar a mensagem. A principal dificuldade com o bloco de tempo é a distribuição da chave secreta. No passado, os governos enviavam a espiões livros cheios de dados aleatórios para serem usados como chaves. Isso é impraticável e imperfeito. Este é o lugar onde a mecânica quântica é muito útil mais uma vez: A distribuição quântica de chaves permite a distribuição de chaves completamente aleatórias a uma distância qualquer.

Como qualquer tentativa de observar ou medir um sistema quântico irá perturbá-lo. Então, se duas partes compartilham informações sobre sua segurança, estão emaranhados (em sincronia), quando alguém tentar ler essas informações acabará tirando o sistema de sincronia. Dessa forma, um sistema não vai passar informações a outro sistema porque sabe que o outro está comprometido. Um exemplo prático: você vai acessar seu internet banking com seu computador quântico. Só que um vírus foi instalado no seu PC, e ele está lendo suas informações. Como seu computador não está em sincronia com a chave de criptografia do banco, ele te envia um aviso de que a conexão não é segura e que seu computador está comprometido, possibilitando que você possa executar as ações preventivas para remover o vírus ou espião.

As possibilidades do processamento quântico

Os computadores e processadores quânticos serão capazes de simular de forma eficiente os sistemas quânticos. A simulação de sistemas quânticos nos permitirá estudar, em detalhes notáveis, as interações entre átomos e moléculas. Isso poderia nos ajudar a projetar novos medicamentos e novos materiais, como supercondutores que funcionam à temperatura ambiente. Outra das muitas tarefas para as quais o computador quântico é inerentemente mais rápido do que um computador clássico é a busca através de um grupo de soluções potenciais para a melhor solução. Imagine isso aplicado em soluções de Business Intelligence, tornando empresas ainda mais competitivas no mercado? Os pesquisadores estão constantemente trabalhando em novos algoritmos e aplicações quânticas. Mas o verdadeiro potencial dos computadores quânticos provavelmente nem sequer foi imaginado ainda. Os inventores do laser certamente não pensavam em suas aplicações na cirurgia dos olhos, ou nos caixas de mercado, e nem como pequenos assistentes para apresentações de trabalho. Da mesma forma, os usos futuros dos computadores e processadores quânticos são limitados apenas pela nossa imaginação.

Processador quântico: preço e onde comprar?

Vamos com calma. Enquanto os computadores quânticos foram teoricamente demonstrados como tendo um potencial incrível, e os cientistas estão trabalhando em todo o mundo para perceber esse potencial, há muito trabalho a ser feito antes que os computadores quânticos cheguem ao mercado.

Para que isso aconteça, é necessário que os cientistas consigam fazer com que os qubits se comportem da maneira que queremos. Esses qubits podem ser feitos de fótons, átomos, elétrons, moléculas ou algo diferente. Cientistas ao redor do mundo estão pesquisando uma grande variedade de materiais como possíveis bases para computadores quânticos. Mas qubits são notoriamente difíceis de manipular, uma vez que qualquer perturbação faz com que eles saiam de seu estado quântico, o que é o calcanhar de Aquiles da computação quântica. O campo de correção de erro quântico examina como evitar esse problema e combater outros erros. Todos os dias, pesquisadores do mundo todo estão descobrindo novas maneiras de fazer qubits cooperarem e entregarem resultados confiáveis.

Mas e os processadores quânticos que já existem?

Existem computadores quânticos, mas não com poder suficiente para substituir computadores clássicos. Enquanto tecnologias quânticas práticas já estão surgindo, incluindo sensores, atuadores e outros dispositivos altamente eficazes, um verdadeiro computador quântico que supera um computador clássico ainda está a anos de distância. Os teóricos estão continuamente descobrindo melhores maneiras de superar os erros em sistemas quânticos, enquanto também ganham cada vez mais controle sobre o mundo quântico através de várias tecnologias e instrumentos. O trabalho pioneiro que está sendo feito hoje está pavimentando o caminho para a próxima era quântica.

Embora um computador quântico totalmente funcional seja um objetivo a mais longo prazo, muitas descobertas fundamentais e práticas foram feitas em nome da computação quântica. Sensores quânticos e atuadores permitirão aos cientistas navegar no mundo em nano escala com notável precisão e sensibilidade. Já sobre os supostos processadores quânticos que já existem e estão sendo usados para pesquisar possibilidades para a inteligência artificial, dentre outras aplicações, ainda estão saindo pesquisas e análises desses processadores para se saber se eles são realmente capazes de cálculos quânticos ou não. Veremos no futuro como ficará o desenvolvimento e funcionamento desses processadores.

Conhece mais aplicações da computação quântica? Quais? Como você conheceu esse tipo de processamento de dados?

Sobre o autor

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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