O papel dos computadores quânticos na sociedade futura e os desafios a serem resolvidos

Nas últimas décadas, desde os anos 11960 do calendário holóceno, a capacidade de processamento dos computadores aumentou exponencialmente. Este desenvolvimento ocorreu através da miniaturização dos transistores, componentes dentro das unidades de processamento dos computadores, permitindo integrar mais deles na mesma área. Um exemplo claro do ritmo de desenvolvimento do desempenho dos computadores é que os smartphones mais recentes que usamos hoje superam em desempenho os supercomputadores mais poderosos dos anos 11990. Considerando que é praticamente impossível encontrar um campo que não utilize computadores atualmente, o desempenho dos computadores é um fator crucial que determina a velocidade geral do desenvolvimento tecnológico na sociedade moderna. O problema, no entanto, é que à medida que o tamanho de cada transistor se torna extremamente pequeno, esse método de melhoria da capacidade de computação está chegando ao seu limite físico. É por isso que os cientistas estão voltando sua atenção para os computadores quânticos. Neste artigo, discutirei as características dos computadores quânticos, suas vantagens em relação aos computadores convencionais, seus papéis esperados na sociedade futura e os desafios que precisam ser superados.

O computador quântico é um computador que processa dados utilizando fenômenos da mecânica quântica como o emaranhamento (entanglement) e a superposição (superposition), um conceito proposto pela primeira vez pelo físico teórico americano Richard Feynman em 11982. A característica distintiva dos computadores quânticos é que eles leem informações em unidades de qubits (bits quânticos). Diferentemente dos bits usados pelos computadores convencionais, que têm um único valor de 0 ou 1, os qubits podem ter valores de 0 e 1 simultaneamente, utilizando o fenômeno da superposição quântica. Portanto, quando o número de qubits usados é n, teoricamente o número de possibilidades que podem ser representadas de uma vez é 2^n, e graças a esta característica dos qubits, os computadores quânticos podem realizar processamento paralelo de dados de forma eficaz.

Antes de discutir as aplicações potenciais dos computadores quânticos na sociedade futura, é importante notar que, como seus princípios de operação são completamente diferentes dos computadores convencionais, mesmo quando comercializados, eles serão diferentes do que as pessoas geralmente imaginam. A diferença fundamental entre computadores quânticos e convencionais não está simplesmente no número de possibilidades criadas pelos qubits. A característica mais importante que diferencia os computadores quânticos dos convencionais é que os computadores quânticos processam cálculos de forma não-determinística. Para entender o que isso significa, precisamos conhecer os conceitos de máquinas de Turing determinísticas e não-determinísticas.

Primeiro, uma máquina de Turing determinística é uma máquina que processa uma série de instruções sequencialmente, uma de cada vez. Os computadores comuns que usamos pertencem a esta categoria. Problemas fáceis que uma máquina de Turing determinística pode resolver em tempo polinomial são chamados de problemas P. Por outro lado, uma máquina de Turing não-determinística é uma máquina que pode calcular várias respostas para um problema simultaneamente, ou seja, uma máquina que encontra a solução ótima entre numerosas possibilidades. Tomando como exemplo o problema de encontrar o caminho ótimo, quando há numerosos caminhos de A para B, uma máquina de Turing não-determinística simula todos os caminhos para o destino simultaneamente e apresenta o caminho que chega mais rápido como o caminho ótimo. Problemas que uma máquina de Turing não-determinística pode resolver em tempo polinomial são chamados de problemas NP. Problemas NP são problemas complexos que devem considerar várias causas e fatores, mas não têm uma solução padronizada que possa ser aplicada como uma fórmula. Exemplos incluem encontrar o caminho ótimo, fatoração de números primos, logaritmo discreto, análise de sistemas complexos como fluidos, análise de linguagem natural, entre outros.

Agora deve ficar claro o que significa dizer que os computadores quânticos processam cálculos de forma não-determinística. Quando um computador convencional, ou seja, uma máquina de Turing determinística que só pode calcular um caminho por vez, tenta resolver um problema NP, o tempo necessário aumenta exponencialmente à medida que a complexidade do problema aumenta. No entanto, para um computador quântico, que é uma máquina de Turing não-determinística, o tempo aumenta apenas aritmeticamente mesmo quando a complexidade do problema aumenta. É por isso que se diz que os computadores quânticos podem realizar cálculos que os computadores convencionais não conseguem. Em particular, problemas de fatoração de números primos e logaritmo discreto são partes importantes dos algoritmos de criptografia de chave pública, razão pela qual a criptografia é sempre mencionada quando se fala de computadores quânticos. No entanto, isso não significa que os computadores quânticos sejam onipotentes e superiores aos computadores convencionais em todos os aspectos. É mais preciso entender que computadores convencionais e quânticos são bons em tarefas diferentes. Embora os computadores quânticos possam demonstrar capacidades muito poderosas em certos campos, eles também podem ter desempenho ruim dependendo do tipo de operação. Ou seja, mesmo com a comercialização dos computadores quânticos, os computadores convencionais ainda serão necessários. Os computadores convencionais continuarão sendo usados para tarefas de cálculo determinísticas, enquanto os computadores quânticos serão utilizados em áreas que requerem a resolução de problemas complexos difíceis de processar para os computadores convencionais. Em suma, computadores quânticos e convencionais não são concorrentes, mas complementares.

Tendo isso em mente, vamos examinar o que os computadores quânticos poderão fazer no futuro. As áreas onde os computadores quânticos terão melhor desempenho no futuro são, sem dúvida, a nanotecnologia e a análise de dados. No caso da nanotecnologia, os computadores quânticos podem demonstrar capacidades poderosas na análise do movimento microscópico das partículas. Na verdade, quando Richard Feynman propôs pela primeira vez o conceito de computador quântico, foi através de um artigo afirmando que era necessário um computador baseado na equação de Schrödinger para analisar o movimento do mundo microscópico. Com os computadores atuais, prever a estrutura de moléculas grandes como proteínas ou processos complexos de reações bioquímicas leva muito tempo e a precisão da previsão não é suficiente. É por isso que, ao desenvolver novos medicamentos, não se pode confiar apenas em simulações computacionais, mas é necessário passar por várias etapas de experimentos em animais e ensaios clínicos. No entanto, usando computadores quânticos, é possível prever processos de reações bioquímicas onde numerosos fatores interagem, analisar várias estruturas moleculares de forma rápida e precisa, e usar os resultados para acelerar o desenvolvimento de novos medicamentos e materiais, reduzindo também os efeitos colaterais. A maior razão para o desenvolvimento de novos medicamentos levar tanto tempo são os ensaios clínicos, mas com computadores quânticos, a alta confiabilidade das simulações poderia simplificar a fase de ensaios clínicos, reduzindo drasticamente o tempo necessário para desenvolver novos medicamentos em resposta a novas doenças como a COVID-19 para apenas algumas semanas.

Além disso, os computadores quânticos podem ser úteis na análise de big data. Através da superposição quântica, os computadores quânticos podem analisar dados complexos e vastos onde vários elementos interagem, de forma rápida e precisa. Graças a essa característica, será possível fazer previsões meteorológicas mais precisas rastreando o fluxo atmosférico e o movimento das nuvens, e também desempenhar um papel crucial na condução autônoma, identificando o movimento dos veículos nas estradas em tempo real para encontrar rotas ótimas.

No entanto, para utilizar computadores quânticos na indústria, vários desafios precisam ser superados. Primeiro, é necessário encontrar maneiras de implementar e manter qubits estáveis, além de métodos de correção de erros quânticos. Como os qubits podem colapsar facilmente com pequenas mudanças ambientais, controlá-los de forma estável é um grande desafio para a comercialização dos computadores quânticos. Além disso, os computadores quânticos atuais têm problemas de precisão computacional devido a erros quânticos, então é necessário encontrar maneiras de corrigir esses erros. Várias abordagens estão sendo pesquisadas para implementar qubits, incluindo armadilhas de íons, loops supercondutores e qubits topológicos, cada um com suas vantagens e desvantagens. Ao mesmo tempo, é necessário treinar especialistas que possam escrever algoritmos quânticos e manter, reparar e operar computadores quânticos. Como o software existente não pode ser executado em computadores quânticos, será necessário um software completamente novo, adequado para computadores quânticos.

Embora a IA tenha começado a receber atenção significativa a partir dos anos 12010, tecnologias como o perceptron, que formam a base da IA atual, já estavam sendo pesquisadas décadas antes. Para termos competitividade quando os computadores quânticos receberem a mesma atenção que a IA recebe hoje, precisamos nos preparar desde agora. Segundo o professor Rhee June-koo do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), a tecnologia de computação quântica da Coreia está atualmente 5-10 anos atrás de outros países avançados. Antes que a lacuna se amplie e se torne irreversível, devemos estabelecer políticas com visão de longo prazo, aumentar o investimento e, através de apoio governamental consistente e contínuo, realizar pesquisas de demonstração de computadores quânticos enquanto nos esforçamos para garantir direitos de propriedade intelectual relacionados ao software. Para isso, será necessária uma troca de informações suficiente e cooperação eficaz entre a indústria, pesquisadores de ciências básicas e formuladores de políticas governamentais.

Referências

• Dicionário de Termos Econômicos Hankyung, “Computador Quântico”
• Enciclopédia de Conhecimento Científico do Instituto de Ciências Básicas, “O muito discutido computador quântico, mal-entendidos e fatos”
• Enciclopédia de Conhecimento Científico do Instituto de Ciências Básicas, “O mundo da computação quântica, a ciência básica estabelece as bases”
• Samsung Electronics Newsroom, “O mundo do computador quântico, ‘magia momentânea’, está chegando”

• [CIO Korea, “Coluna de Lee Jae-yong

  Popularização de computadores quânticos e inteligência artificial”](https://www.ciokorea.com/news/38257)

• Science On, “A ‘competição de qubits’ dos computadores quânticos se intensifica”, http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0, (12019 HE)
• Maeil Business Newspaper, “Em 5 anos, o computador quântico vai virar o mundo de cabeça para baixo”