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

Exploramos os conceitos básicos dos computadores quânticos, suas vantagens em relação aos computadores clássicos e seus papéis esperados no futuro, considerando a necessidade de a Coreia se preparar antecipadamente para a era dos computadores quânticos. Este ensaio foi escrito pelo autor quando era estudante do ensino médio.

Posted May 10, 2019 Updated Dec 26, 2024

By Yunseo Kim

views 9 min read

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

Nas últimas décadas, desde os anos 1960, a capacidade de computação dos computadores tem aumentado exponencialmente. Esse desenvolvimento foi alcançado miniaturizando os componentes chamados transistores que entram nos processadores dos computadores, permitindo integrar um número maior deles na mesma área. Um exemplo claro que demonstra a velocidade de desenvolvimento do desempenho dos computadores é que os smartphones mais recentes que usamos hoje têm um desempenho que supera o dos supercomputadores mais poderosos da década de 1990. Considerando que é praticamente impossível encontrar uma área que não use computadores hoje, o desempenho dos computadores é um fator crucial que determina a velocidade geral do desenvolvimento tecnológico na sociedade moderna. No entanto, o problema é que, à medida que o tamanho de cada transistor se torna extremamente pequeno, essa abordagem para melhorar a capacidade de computação dos computadores está agora chegando a seus limites físicos. É por isso que os cientistas estão focando nos computadores quânticos. Neste artigo, discutiremos 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 para isso.

O computador quântico é um computador que processa dados usando fenômenos quânticos como emaranhamento (entanglement) e superposição (superposition), um conceito proposto pela primeira vez pelo físico teórico americano Richard Feynman em 1982. A característica única dos computadores quânticos é que eles leem informações em unidades de qubits (bits quânticos). Ao contrário 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, usando o fenômeno da superposição quântica. Portanto, quando o número de qubits usados é n, teoricamente o número de casos que podem ser representados de uma vez é 2^n, e graças a essa 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 necessário notar que, como o princípio de operação dos computadores quânticos é completamente diferente dos computadores convencionais, mesmo que sejam comercializados, serão diferentes do que as pessoas comumente imaginam. A diferença fundamental entre computadores quânticos e convencionais não está simplesmente no número de casos que os qubits podem gerar. 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 máquina de Turing determinística e não determinística.

Primeiro, uma máquina de Turing determinística é uma máquina que processa uma série de instruções dadas uma por uma sequencialmente. Os computadores comuns que usamos geralmente 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 ideal entre inúmeros casos. Por exemplo, no problema de encontrar o caminho ideal, quando há inúmeros caminhos de A para B, uma máquina de Turing não determinística simula todos os caminhos para o destino simultaneamente e apresenta o caminho que chegou mais rápido como o caminho ideal. Problemas que uma máquina de Turing não determinística pode resolver em tempo polinomial são chamados de problemas NP. Problemas NP são problemas complexos que precisam considerar várias causas e fatores, mas não têm uma solução padronizada que possa ser aplicada como uma fórmula, e incluem exemplos como encontrar o caminho ideal mencionado anteriormente, fatoração de números primos, logaritmo discreto, análise de sistemas complexos como fluidos, análise de linguagem natural, etc.

Agora deve ficar claro o que significa dizer que os computadores quânticos processam cálculos de forma não determinística. Quando uma máquina de Turing determinística, ou seja, um computador convencional que só pode calcular um caminho de cada vez, tenta resolver um problema NP, o tempo necessário aumenta exponencialmente à medida que a complexidade do problema aumenta. No entanto, para uma máquina de Turing não determinística, ou seja, um computador quântico, 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 podem. Em particular, como os problemas de fatoração de números primos e logaritmo discreto são partes importantes dos algoritmos de criptografia de chave pública, sempre que se fala em computadores quânticos, também se menciona a criptografia. No entanto, isso não significa que os computadores quânticos sejam onipotentes e superiores aos computadores convencionais em todos os aspectos. Seria mais preciso entender que os computadores convencionais e os quânticos são bons em tarefas diferentes. Embora os computadores quânticos certamente demonstrem capacidades muito poderosas em certas áreas, eles podem ter um desempenho ruim dependendo do tipo de operação. Ou seja, mesmo que os computadores quânticos sejam comercializados, os computadores convencionais ainda serão necessários. Os computadores convencionais continuarão sendo usados para tarefas de cálculo determinísticas, enquanto os computadores quânticos serão utilizados onde for necessário resolver problemas complexos que os computadores convencionais têm dificuldade em processar. Em suma, os computadores quânticos e os convencionais não são concorrentes, mas complementares.

Tendo isso em mente, vamos examinar que tipos de tarefas os computadores quânticos poderão realizar no futuro. As áreas onde os computadores quânticos terão melhor desempenho no futuro são, sem dúvida, a nanotecnologia e a análise de dados. Primeiro, 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. Os computadores de hoje levam muito tempo e não têm precisão suficiente para prever a estrutura de moléculas grandes como proteínas ou processos complexos de reações bioquímicas. 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 inúmeros fatores interagem, analisar várias estruturas moleculares de forma rápida e precisa, e usar esses 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 é devido aos ensaios clínicos, mas usando computadores quânticos, seria possível simplificar a etapa de ensaios clínicos com base na alta confiabilidade das simulações, reduzindo drasticamente o tempo necessário para desenvolver novos medicamentos em resposta a novas doenças como a COVID-19 para 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 do que agora, rastreando o fluxo do ar e o movimento das nuvens, e também desempenhar um papel crucial na condução autônoma, encontrando rotas ideais ao compreender o movimento dos veículos nas estradas em tempo real.

No entanto, para utilizar computadores quânticos na indústria dessa maneira, é necessário resolver alguns desafios. Primeiro, é preciso encontrar maneiras de implementar e manter qubits estáveis, além de corrigir 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 o problema de precisão computacional um pouco reduzida 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 profissionais especializados 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 apenas a partir da década de 2010, tecnologias como o perceptron, que formam a base da IA atual, já estavam sendo pesquisadas há décadas. Para termos competitividade quando os computadores quânticos receberem tanta atenção no futuro quanto a IA recebe hoje, precisamos nos preparar desde agora. Segundo o Professor Rhee June-koo da Escola 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 a 10 anos atrás de outros países avançados. Antes que a lacuna se amplie ainda mais e se torne irreversível, é necessário estabelecer políticas relacionadas com uma visão de longo prazo e aumentar ainda mais a escala de investimento. Através de apoio consistente e contínuo do governo, devemos nos esforçar para realizar pesquisas de demonstração de computadores quânticos e, ao mesmo tempo, garantir direitos de propriedade intelectual relacionados ao software. Para isso, será necessária uma troca de informações suficiente e uma cooperação fluida entre a indústria, pesquisadores de ciências básicas e formuladores de políticas governamentais.