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#acessibilidade Imagem de uma mão robótica e uma mão humana indo de encontro uma à outra, com os dedos indicadores quase se tocando.

Texto escrito pelos colaboradores Lucas Franciliano da Silva e Gabriel Araújo Duarte Costa

para o Festival Estrutura da Matéria

Seja bem-vindo leitor!

Quem nunca ouviu falar em algo quântico e pensou “isso deve ser complicado”? Pois bem, isso é realmente bem complicado, mas não se desespere! Vamos desbravar juntos os segredos da computação e física quântica nesse texto. Você vai descobrir como essa tecnologia vai determinar o futuro da nossa espécie, como pode nos levar a lugares nunca antes imaginados e não, a não ser que ele seja o “Homem formiga” do Universo Cinematográfico Marvel, seu “coach quântico” não tem nada a ver com esse assunto.

Computação Quântica

O que é computação quântica, qual caminho traçamos até essa tecnologia e qual será seu impacto social e tecnológico no futuro?

#acessibilidade Imagem de um boneco do personagem Homem-Formiga retirando um bloco de uma torre de Jenga e um bloco caindo em cima dele.

O que foi a computação até agora

A ciência da computação surgiu durante a segunda guerra mundial (1939-1945), os alemães usavam um sistema de criptografia chamada de “Enigma”, para se comunicar e ordenar ataques conjuntos entre todo o exército, até que um brilhante matemático britânico chamado Alan Turing desenvolveu uma máquina de descriptografia. Era uma máquina enorme e a primeira que utilizava a teoria dos números para realizar uma operação (essa história é contada no ótimo filme “O Jogo da Imitação”). Essa máquina ficou conhecida posteriormente como Máquina de Turing e sua arquitetura interna serve de modelo ainda nos dias atuais. Após isso o exército americano continuou a pesquisa na área junto com as universidades americanas. No final da Segunda Guerra, em 1945, surgiu o primeiro computador puramente eletrônico conhecido como ENIAC. O ENIAC pesava cerca de 30 toneladas e era usado para calcular trajetórias balísticas, sendo também incorporado em cálculos para viabilizar a produção da bomba de hidrogênio. Em 1956 o fundador da Intel Gordon E. Moore formulou a conhecida lei de Moore, que diz que em um mesmo espaço do processador de um computador a quantidade de Transistores dobra a cada 18 meses, o que significa dizer que a eficiência e desempenho de uma máquina dobra a cada 1 ano e meio. A lei se confirmou até que engenheiros na IBM perceberam que em 2015 essa lei perderia a validade, já que não era mais possível usar o silício em computadores cada vez mais modernos devido a sua instabilidade, teriam assim que procurar outras alternativas como o estudo de nano-fitas de grafeno ou o telureto de urânio, promissor substituto do silício para implementação na computação quântica.

A Computação Quântica

A computação quântica nasce na tentativa de adaptar para a computação os avanços conquistados no campo da física quântica. Basicamente a física quântica estuda os fenômenos que regem o universo microscópico e tenta demonstrar que no mundo subatômico, grandezas físicas possuem propriedades diferentes do mundo macroscópico e não podem ser explicadas pela física clássica, como a dualidade onda-partícula e os valores discretos dos pacotes de energia (fótons). Quântico vem de quantum, que é quantidade e ganhou esse nome pelos quantum de energia (pacotes de energia) do físico Alemão Max Planck, pai da física quântica. A primeira proposta conceitual de um computador quântico é do físico inglês Richard P. Feynman em 1981. Feynman observou que um computador clássico tem limitações físicas e matemáticas que torna cálculos quânticos impraticáveis, então ele se perguntou se um computador fundamentado no princípio quântico não realizaria tais operações. Em 1985 foi formulado o qubits, que caracteriza o estado de superposição dos bits 1 e 0 (sim ou não) do computador clássico, isso quer dizer que suporta ambos os estados 1 e 0 ao mesmo tempo, dobrando sua capacidade de processamento, sendo a chave para os algoritmos quânticos que vieram a partir da década de 90, como em 1994, quando o matemático Americano Peter Shor desenvolveu o algoritmo de Shor que permitia a um computador quântico fatorar números não primos muito mais rápido. Essa aplicação pode ser útil em criptografias, onde para se quebrar uma chave criptográfica um computador clássico levaria milhares de anos, inviabilizando o processo, mas o computador quântico levaria dias ou horas para tal.

Propriedades do computador quântico

Como foi citado anteriormente, o maior diferencial do computador quântico para o clássico é o qubit e sua capacidade de superposição. Aprofundando um pouco mais sobre o tópico, esse fenômeno é possível devido à capacidade de sobreposição quântica, que é explicada pelo princípio da incerteza, ou seja, um elétron, por exemplo, pode estar em todos os estados quânticos teoricamente possíveis, até que ele seja medido. Isso em conjunto com algoritmos de números complexos aplicados à computação, permite que um bit quântico armazene mais de uma informação ao mesmo tempo. Outra propriedade diferente do qubit é o emaranhamento ou entrelaçamento quântico, fenômeno em que as partículas interagem mesmo separadas, independente da distância. Em outros termos, o estado quântico de uma reflete no da outra. Além disso, há as portas quânticas, ou quantum gates, que seriam equivalentes às portas lógicas ou logic gates na computação clássica, são reversíveis ou por outra, é possível obter os bits de entrada a partir dos bits de saída, façanha que não é possível na computação clássica. Isso, por consequência, torna possível a reversibilidade dos circuitos quânticos ou quantum circuits, equivalentes aos circuitos lógicos ou logic circuits, o que eleva o computador quântico em relação ao clássico em níveis absurdos.

Então por que não usamos o computador quântico para tudo que fazemos?

Existem vários fatores que impossibilitam esse texto de estar sendo escrito num computador quântico. O principal deles é o fato de que ainda não sabemos praticamente nada sobre como funciona o computador quântico, assim como sabemos muito pouco sobre a própria física quântica. O tópico é nebuloso e ainda há muito a ser descoberto e desenvolvido, como por exemplo o próprio funcionamento do entrelaçamento quântico, que ainda é misterioso à ciência. Linguagens de programação quânticas ainda têm que ser testadas e direcionadas ao público, entre outras coisas. Além disso, entram na discussão o custo para criar e manter um computador quântico, a delicadeza e sensibilidade dos processos, onde as mínimas vibrações ou variações de temperatura ou pressão podem influenciar, questões de segurança cibernética que envolvem a capacidade do computador quântico de quebrar a criptografia dos computadores clássicos, e assim por diante.

A importância da computação quântica para o futuro

Apesar de todas essas complicações e limitações, o olhar que se tem para a computação quântica é esperançoso para o futuro. Para se ter uma ideia, recentemente (outubro de 2019) a Google anunciou a supremacia quântica. Esse termo foi cunhado pelo físico Americano John Preskill, e significa que um computador quântico realizou uma tarefa inviável de ser realizada por um computador clássico. Essa supremacia foi alcançada com o computador Google Sycamore, com 54 quibits que deve ser resfriado a até 1 Kelvin de temperatura, para reduzir o desbalanceamento nas medidas. Em um teste ele realizou um cálculo de probabilidades em 200 segundos, quando o mesmo problema demoraria 10000 anos para ser realizado em um computador comum. Os dados deste teste são contestados pela IBM, concorrente do Google nesta área. A supremacia quântica, o momento em que uma tarefa que seria impossível para o mais potente computador clássico for realizada em instantes por um computador quântico, é o ápice que inspira o desenvolvimento da computação quântica. E essa quantum supremacy traria consigo a capacidade de realizar simulações, processamento de dados, resoluções de algoritmos em um grau que pode causar um salto tecnológico absurdo na história da humanidade, auxiliando na cura de doenças, desenvolvimento de IA, na logística de informações e até mesmo simular o próprio computador clássico.

Fredkin, Feynman e Deutsch, importantes físicos na área quântica, diziam que a computação é uma área da física, onde a computação quântica é apenas a forma que o universo computa. A computação em si é a computação quântica, e a clássica é apenas um caso especial dela.

Fontes:

Fonte da imagem destacada: Gerd Altmann por Pixabay

Fonte da imagem 1: Johnny Gutierrez por Pixabay

Wagner Jorcuvich Nunes da Silva, Uma introdução à Computação Quântica.

N. David Mermin, Quantum Computer Science An Introduction.

Canal Nerdologia: episódios Computação Quântica e Supremacia Quântica

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#acessibilidade Imagem de uma mão robótica e uma mão humana indo de encontro uma à outra, com os dedos indicadores quase se tocando.

Texto escrito por los contribuyentes Lucas Franciliano da Silva y Gabriel Araújo Duarte Costa 

¿Quién nunca escuchó hablar de algo cuántico sin pensar “eso debe ser complicado”? Pues bien, es realmente muy complicado, ¡pero no te desesperes! Vamos a explorar juntos los secretos de la computación y la física cuántica en este texto. Vas a descubrir cómo esta tecnología va a determinar nuestro futuro como especie, cómo nos puede llevar a lugares que nunca imaginamos, y no, a no ser que él sea “Ant-Man” del Universo Marvel, tu “coach cuántico” no tiene nada que ver con este asunto.

Computación Cuántica

¿Qué es la computación cuántica, cuál camino trazamos hasta llegar a esta tecnología, y cuál será su impacto social y tecnológico en el futuro?

#acessibilidade Imagem de um boneco do personagem Homem-Formiga retirando um bloco de uma torre de Jenga e um bloco caindo em cima dele.

Lo que ha sido la computación hasta ahora

La ciencia de la computación surgió durante la segunda guerra mundial (1939-1945), los alemanes usaban un sistema de criptografía llamado “Enigma”, para comunicarse y ordenar ataques conjuntos entre todo el ejército, hasta que un brillante matemático británico llamado Alan Turing desarrolló una máquina de desencriptar. Era una máquina enorme y la primera que utilizó la teoría de los números para realizar una operación (esa historia es contada en la excelente película “El Código Enigma”). Esta máquina se conoció posteriormente como Máquina de Turing y su arquitectura interna sirve como modelo aún en la actualidad. Luego, el ejército americano continuó las investigaciones en esta área en conjunto con universidades americanas. Al final de la Segunda Guerra, en 1945, surgió el primer computador puramente electrónico conocido como ENIAC. El ENIAC pesaba casi 30 toneladas y se usaba para calcular trayectorias balísticas, así como en cálculos para viabilizar la producción de la bomba de hidrógeno. En 1956, el fundador de Intel, Gordon E. Moore formuló la conocida Ley de Moore, que dice que, en un mismo espacio de procesador de un computador, la cantidad de transistores se duplica cada 18 meses, lo que significa que la eficiencia y desempeño de una máquina se duplica cada año y medio. Esta ley fue confirmada hasta que ingenieros de IBM se dieron cuenta que en 2015 esta ley perdería validez, ya que no sería posible continuar usando silicio en computadores más modernos, debido a su inestabilidad y tendría que buscar otras alternativas como las nanocintas de grafeno o el telururo de uranio, un prometedor sustituto del silicio para implementación en computación cuántica.

La computación cuántica

La computación cuántica nace del intento de adaptar a la computación los avances conquistados en el campo de la física cuántica. Básicamente la física cuántica estudia los fenómenos que gobiernan el universo microscópico e intenta demostrar que, en el mundo subatómico, las magnitudes físicas tienen propiedades diferentes de las del mundo macroscópico y no pueden ser explicadas por la física clásica, como es el caso de la dualidad onda-partícula o los valores discretos de los paquetes de energía (fotones). Cuántico viene de quantum, que significa cantidad y debe ese nombre a quantum de energía (paquetes de energía) del físico alemán Max Planck, padre de la física cuántica. La primera propuesta conceptual de un computador cuántico la hizo el físico inglés Richard P. Feynman en 1981. Feynman observó que un computador clásico tiene limitaciones físicas y matemáticas que imposibilitan la realización de cálculos cuánticos, y se preguntó si un computador fundamentado en el principio cuántico sería capaz de hacer esas operaciones. En 1985 fue formulado el qubit, que caracteriza el estado de sobreposición de los bits 1 y 0 (sí o no) de la computación clásica, lo que quiere decir que soporta los estados 1 y 0 al mismo tiempo, duplicando su capacidad de procesamiento, lo cual fue clave para los algoritmos cuánticos que aparecieron en los años 90, como cuando el matemático americano Peter Shor, en 1994, desarrolló el algoritmo de Shor que le permitía a un computador cuántico factorizar números no primos mucho más rápido. Esa aplicación puede ser útil en criptografías, donde un computador clásico demoraría miles de años para romper una clave criptográfica, imposibilitando el proceso, mientras que un computador cuántico haría esta tarea en días u horas.

Propiedades del computador cuántico

Como fue mencionado anteriormente, el principal distintivo del computador cuántico sobre el clásico es el qubit y su capacidad de superposición. Profundizando un poco más sobre este tópico, ese fenómeno es posible debido a la capacidad de superposición cuántica, explicada por el principio de incertidumbre, donde por ejemplo un electrón es capaz de estar en todos los estados cuánticos teóricamente posibles, hasta el momento de ser medido. Esto, junto con algoritmos de números complejos aplicados a la computación, permite que un bit cuántico almacene más de una información simultáneamente. Otra propiedad particular del qubit es el entrelazamiento cuántico, fenómeno en el cual las partículas pueden interactuar, aunque estén separadas, e independientemente de la distancia entre ellas. Dicho de otra forma, el estado cuántico de una se refleja en la otra. Además, existen las puertas cuánticas, o quantum gates que serían equivalentes a las puertas lógicas o logic gates en computación clásica. Estas son reversibles, o sea, es posible obtener los bits de entrada a partir de los bits de salida, hazaña imposible en la computación clásica. En consecuencia, esto hace posible la reversibilidad de los circuitos cuánticos, equivalentes a los circuitos lógicos, lo que coloca el computador cuántico en un nivel absurdamente alto en relación con el clásico.

Entonces, ¿por qué no usamos el computador cuántico para todo lo que hacemos?

Varios motivos impiden que este texto se escriba en un computador cuántico. El principal de ellos es que en realidad no sabemos prácticamente nada sobre cómo funciona el computador cuántico, así como sabemos también muy poco sobre la propia física cuántica. Este tema está aún un poco ‘nublado’, pues todavía falta mucho por descubrir y desarrollar, como por ejemplo el propio funcionamiento del entrelazamiento cuántico, que es todavía un misterio para la ciencia. Los lenguajes de programación cuánticos aún deben ser probados y enfocados al público. Además, en la discusión deben incluirse el costo de crear y mantener un computador cuántico, la delicadeza y sensibilidad de los procesos, donde variaciones mínimas de temperatura y presión o vibraciones de baja intensidad pueden influenciar, aspectos de seguridad cibernética, incluyendo la capacidad de un computador cuántico de romper la criptografía de los computadores clásicos, y así sucesivamente.

La importancia de la computación cuántica para el futuro

A pesar de todas estas limitaciones, la visión que tenemos de la computación cuántica es esperanzadora para el futuro. Para darnos una idea, recientemente (octubre de 2019), Google anunció la supremacía o ventaja cuánticas. Este término, acuñado por el físico americano John Preskill, significa que un computador cuántico realizó una tarea inviable en un computador clásico. Esa supremacía fue alcanzada con el computador Google Sycamore, con 54 qubits que debe ser refrigerado hasta 1 K de temperatura, para reducir el desbalance de las medidas. En una prueba, realizó un cálculo de probabilidades en 200 segundos, siendo que el mismo problema demoraría 10000 años para ser resuelto en un computador común. Los datos de esta prueba fueron refutados por IBM (rival de Google en esta área), alcanzando un valor más alto. La supremacía cuántica, ese momento en el que una tarea, imposible para un potente computador clásico, es realizada en instantes por un computador cuántico, es la cúspide que inspira el desarrollo de la computación cuántica. Y esa quantum supremacy traerá consigo la capacidad de realizar simulaciones, procesar datos, resolver algoritmos, en un grado que podría generar un salto tecnológico drástico en la historia de la humanidad, contribuyendo a la cura de enfermedades, al desarrollo de inteligencia artificial (IA), en la logística de información, e incluso simular un computador clásico.

Fredkin, Feynman y Deutsch, importantes físicos en el área cuántica, decían que la computación es un área de la física, donde la computación cuántica es solo la forma en la que el universo computa. La computación en sí es la computación cuántica, y la clásica, es un caso especial de esta.

Fuentes:

Fuente de la imagen destacada: Gerd Altmann por Pixabay

Fuente de la imagen 1: Johnny Gutierrez por Pixabay

Wagner Jorcuvich Nunes da Silva, Uma introdução à Computação Quântica.

N. David Mermin, Quantum Computer Science An Introduction.

Canal Nerdologia: episódios Computação Quântica e Supremacia Quântica

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