Artigo
Inovação
Um desafio tecnológico chamado computação quântica
São óbvios o impacto e todas as implicações em nossas vidas causados pelo advento da informática na sociedade humana moderna. Baseados em números binários, zeros e uns denominados bits, e codificados na velocidade da luz pelos chips eletrônicos, esses simples elementos numéricos, pela computação clássica, são transformados em imagens, sons, realidades virtuais, comunicação global.
Mas o que acontece se introduzirmos um tipo de bit, o quantum bit, que além da informação inicial e final, zero ou um, informa simultaneamente os dois estados ou seus estados intermediários? Estamos no limiar de uma nova era tecnológica, quando a capacidade exponencial dos estados de quantum bits do hardware quântico pode ultrapassar o número de átomos do universo, elevando enormemente a capacidade computacional de solucionar problemas matemáticos. Ou seja, neste cenário pintado pela computação quântica, estamos nascendo para essa nova tecnologia e, engatinhando, vamos aprender a andar enquanto amadurecemos.
Comparando
Na computação clássica, passo a passo foram conquistados o domínio das linguagens de programação, a criação de aplicativos de todas espécies e gêneros, a evolução das CPUs e memórias, o aparecimento das atuais mídias de interface com o usuário que, entre outras peculiaridades e particularidades, alcançaram o estado da arte em termos de uso da tecnologia baseada no silício e bytes binários.
Segundo especialistas, com a computação quântica podemos aguardar por uma revolução de maior natureza, em comparação à computação clássica, nos mais variados campos do conhecimento humano.
Diferenciando
Diferente da computação clássica, que trabalha com a lógica pura, a computação quântica utiliza uma lógica abstrata na manipulação da dualidade quântica, expressa pela probabilidade de um bit quântico, o qubit, conter, intrinsecamente, os dois estados de um bit tradicional ao mesmo tempo em determinado instante.
E a matemática mínima, necessária para experimentar a computação quântica, envolve o conhecimento em matrizes, vetores, trigonometria, números complexos, percentagem, sistema binário e lógica de programação; sendo necessário tratar com esses elementos tanto na concepção do algoritmo quanto na análise de resultados.
Um primeiro contato com a computação quântica pode ser realizado pela internet, onde existem incontáveis comentários e explicações sobre o assunto, os melhores em inglês acessados ao se pesquisar o termo “quantum computing”, por exemplo. E, mais especificamente no YouTube, encontramos as mais diversas postagens de físicos e matemáticos eméritos que explicam sucintamente a conjuntura complexa no manuseio e na implementação de códigos para qubits, incluindo os próprios idealizadores de hardware quântico e suas máquinas em vácuo pleno e mais geladas que o próprio espaço sideral – geladas porque, sendo baseadas em supercondutores, necessitam de frio extremo e ausência de outras partículas para evitar interferências na programação e na leitura dos estados quânticos de átomos unitários; cito como exemplo o computador quântico “D-Wave 2000Q, que precisa ser mantido a -273º Celsius, temperatura que é poucas frações acima do zero absoluto e 180 vezes mais fria do que o espaço interestelar”, segundo a IBM.
Tipificando
Popularmente, foram apresentadas soluções pela Google, pela Microsoft e pela IBM, entre outras, cada qual possuindo implementações próprias de hardware e de programação quântica.
A Google busca superar o desafio da “supremacia quântica” com seu hardware de 53 qubits, o qual engendra, em segundos, soluções de problemas que levariam anos para serem processados pela computação clássica. Segundo a empresa, para verificar padrões em um conjunto de números distribuídos aleatoriamente, o seu computador quântico, o Sycamore, concluiu a tarefa em 3 minutos e 20 segundos, enquanto o Summit, o supercomputador mais poderoso do mundo, levaria 10 mil anos para resolver a questão. A IBM, dona do Summit, contestou o resultado, dizendo que seu supercomputador levaria apenas 2,5 dias.
A Microsoft disponibiliza uma biblioteca Quantum, a “Q#” ou “Qsharp”, para ser utilizada pelos programadores junto ao Visual Studio 2019 que, por enquanto, possibilita simular qubits nos computadores tradicionais, pretendendo negociar o uso do hardware quântico real através da nuvem Azure.
Vou me ater ao esforço da IBM na divulgação do paradigma da computação quântica de forma prática, disponibilizando aos interessados no mãos à obra um versátil programa web chamado “IBM Quantum Experience” em https://quantum-computing.ibm.com/, no qual após cadastro se pode:
- Entender os conceitos da computação quântica lendo o “A field guide to quantum computing”, num tópico apresentado em “Documentation”;
- Utilizar um simulador de 32 qubits e vários computadores quânticos reais de 1, 5 e 15 qubits, disponibilizados para aprendizado, e testes nos ambientes quantum, apresentados no “Dashboard”;
- Compreender como funcionam as portas através do “Gates Glossary”, algumas apresentadas dinamicamente numa pequena Esfera de Bloch;
- Experimentar a programação de forma interativa, programando online na interface amigável do “Circuit Composer”;
- Trabalhar em nível de programação Python, utilizando um framework open source para montar o “Quiskit Notebook”;
- Interagir e trocar ideias sobre o assunto com outros colaboradores no “Slack” e no “Stack Exchange”, com links encontrados em “Support”.
Realizando
Por se tratar de tecnologia incipiente e tendo estabelecida a sua linguagem padrão de programação, a computação quântica permite dar asas à imaginação quanto as formas de aplicação, por exemplo, remetendo à ficção do desenvolvimento do buraco de minhoca para teleportação, citada nas teorias da relatividade.
Buscando basear as soluções procuradas em conceitos de mecânica quântica, como Spin, Dualidade, Superposição e Entrelaçamento de partículas ou de Qubits, pesquisadores realizam experiências nas mais diversas áreas das ciências exatas, humanas e biológicas, na fabricação de novos compostos químicos e moleculares, estudando estatísticas do comportamento social, produzindo melhores diagnósticos na medicina, desenvolvendo redes neurais na inteligência artificial, evoluindo as teorias da física, entre outros. Tornar isso real é o grande desafio da nova tecnologia.
Para tal empreendimento intelectual é necessário evoluir o pensamento da lógica binária tradicional e pensar em termos da probabilidade de determinado estado binário como resultado de uma configuração vetorial aplicada através da rotação sobre os três eixos da Esfera de Bloch, que representa um qubit.
Observando a Esfera de Bloch, inicialmente temos a noção de localização tridimensional dos eixos (Z, X, Y) e, rotacionando os eixos, movimentamos o vetor para adequar a programação a uma possível interação com uma dimensão imaginária no eixo dos números complexos. Aparentemente pode parecer simples, no entanto, é bastante complexo por tratar de matemática de matrizes com números imaginários. Existem ditados que circulam nos meios acadêmicos, atribuídos ao físico Richard Feynman, que também podem se referir diretamente ao nosso tema: “Se você pensa que entende a mecânica quântica, então você não entende”; ou “Eu penso que posso dizer com segurança que ninguém entende mecânica quântica”.
Para você saber mais, também selecionei aqui um vídeo (título em português “Como Fazer Um Bit Quântico”) que aborda de modo acessível alguns conceitos quânticos, e na qual o narrador exemplifica o qubit e depois apresenta um cientista que demonstra rapidamente a lógica e o funcionamento de um hardware quântico real, utilizando de osciloscópio para observar a resposta da excitação a um átomo.
Prospectando
Antevejo investimentos econômicos significativos pelos que desejam se beneficiar desta nova tecnologia. Com muito estudo, mais pesquisa e trabalho, os engajados nessa obra pretendem tornar corriqueiro o uso de computadores quânticos. Toda a potencialidade somada ao empreendedorismo tornam esse segmento tão desafiante aos investigadores da natureza, cientistas e leigos, sempre em busca de novas fronteiras na vastidão do universo conhecido e por conhecer.
Outro ponto fundamental é prover um mecanismo inclusivo e acessível (online e offline) para todos os brasileiros. Além destes, é imprescindível um robusto controle visando a proteção dos dados pessoais. Uma identificação eletrônica massificada e interoperável se constitui como uma ferramenta imprescindível para o avanço na direção de uma sociedade digital.
Bruno Ramos Jellinek possui graduação em Processamento de Dados pelo Centro Universitário Newton Paiva, de Belo Horizonte, e especialização Lato Sensu em Banco de Dados pela Pontifícia Universidade Católica (PUC Minas). É analista de Desenvolvimento de Sistemas, do Serpro, trabalhando atualmente na Divisão do Domínio de Fiscalização Tributária, da Superintendência de Digitalização da Receita Federal, em Belo Horizonte.