30 de jul de 2018

Computadores quânticos: do que são capazes e quão longe estão do dia a dia?

Udacity Brasil

Uma máquina capaz de resolver em questão de minutos problemas que até mesmo nosso supercomputador mais potente levaria milênios: essa é a promessa da computação quântica, uma das áreas da tecnologia com maior potencial disruptivo no horizonte.

A computação quântica envolve a aplicação de princípios da mecânica quântica nos modelos atuais de computação. Fazer isso é um desafio e tanto, mas o esforço se justifica: a “supremacia quântica” – o momento em que um computador quântico conseguir realizar algo que nossas máquinas atuais não conseguem – trará verdadeiras revoluções em inúmeros setores.

Essa promessa tem levado gigantes da tecnologia como Google, Microsoft e IBM a investir pesadamente na criação de processadores quânticos, e surge tanto em conversas científicas quanto de surpresa em coletivas de imprensa do primeiro-ministro do Canadá.

A inteligência artificial também poderia se beneficiar desse novo modelo. Segundo Dario Gil, que lidera a pesquisa no ramo na IBM, há alguns tipos de desafios, especialmente de machine learning, que poderiam progredir mais rapidamente quando a computação quântica estiver pronta. "É um ótimo momento para a comunidade de inteligência artificial começar a explorar esse futuro", disse.

A seguir, entenda o que é computação quântica, quais as promessas (e os riscos) que ela traz, quão longe está de se popularizar e por que tantas empresas estão investindo nela.

Justin Trudeau, primeiro-ministro canadense, explica o que é computação quântica de improviso

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O que é computação quântica: além do 0 e do 1

A computação tradicional tem como base uma unidade de informação chamada bit. Um bit é um único dado que pode assumir os valores 0 ou 1. Isso pode parecer bem sem graça, mas o fato é que tudo que acontece no seu computador ou smartphone, desde a calculadora do seu celular até os servidores da Netflix, funciona com base em enormes cadeias de zeros e uns.

Um conjunto de oito bits é chamado de um byte (lê-se “báite”). Mil bytes formam um kilobyte, mil kilobytes são um megabyte, mil megabytes são um gigabyte e mil gigabytes são um terabyte. Ou seja: um meme com 40 kB que você salvou no seu computador é composto por 320.000 zeros e uns (quarenta mil bytes vezes oito). E um HD externo de um terabyte armazena cerca de 8.000.000.000.000 (oito trilhões) de uns e zeros.

Quando um computador faz contas ou realiza qualquer tipo de tarefa, ele também faz isso manipulando bits, o que significa que tanto a potência quanto a capacidade de armazenamento dos nossos computadores estão ligadas a quantos bits é possível armazenar ou processar.

Talia Gershon, líder de experiências quânticas na IBM, explica o conceito de computação quântica em cinco níveis de dificuldade

Há diversas tecnologias para armazenar bits. Os HDs, ou discos rígidos, são uma delas e usam um disco magnetizado para guardar esses dados. Outra é a memória flash, responsável pelos solid-state drives (SSDs), um novo tipo de armazenamento. Já o processamento de dados fica basicamente atrelado ao número de transistores de um processador: de maneira geral, mais transistores geram mais poder de processamento.

Mas essas tecnologias têm um limite: só é possível armazenar um determinado número de bits em um espaço antes de que eles se embaralhem. E também há limites para quantos transistores se pode colocar em um processador do tamanho que usamos em nossos computadores atuais.

Para ir além desse limite, é necessário um novo modelo de computação – e é aí que a computação quântica entra.

Nos computadores quânticos, a unidade de informação não é bit, mas o qubit (lê-se “quíu bit” ou “quê bit”), também chamado de “bit quântico”. A diferença do qubit para os bits é que, enquanto os bits só podem assumir os valores 0 ou 1, os qubits podem estar num estado de “superposição”, no qual eles assumem os dois valores ao mesmo tempo.

A mecânica quântica aplicada à computação

Segundo o professor Eduardo Inácio Duzzioni, da Universidade Federal de Santa Catarina, essa possibilidade levaria a computação a um novo patamar. Isso porque quando os computadores atuais fazem cálculos, eles precisam processar cada uma das possíveis respostas, uma de cada vez. Um computador quântico, no entanto, graças à natureza dos seus qubits, conseguiria analisar todas as possíveis respostas ao mesmo tempo.

É dessa propriedade dos computadores quânticos que deve surgir a possibilidade de resolver em questão de minutos problemas que atualmente levariam (literalmente) milênios. Além disso, há problemas que atualmente são muito custosos para se resolver, tanto do ponto de vista de recursos computacionais quanto financeiro – e deixariam de ser.

Alguns problemas desse tipo são chamados de "problemas de otimização” e surgem quando há muitas variáveis que precisam ser consideradas e é preciso descobrir o ponto ótimo de todas elas.

Num exemplo informal, imagine o seguinte: você vai tirar férias em algum momento do ano e pretende viajar, mas quer que sua viagem te dê o máximo de prazer associado ao mínimo de gasto de dinheiro. Quando (e para onde) você deve viajar nesse caso, considerando os preços variáveis de hotéis e passagens de avião em diferentes locais do mundo e épocas do ano? É fácil perceber que o alto número de variáveis torna o problema bem complexo.

Vídeo do canal Kurzgesagt – In a Nutshell explica a computação quântica

Segundo Duzzioni, problemas desse tipo são comuns na indústria de logística, por exemplo: considerando vários fornecedores de diversas partes do mundo, qual é a maneira mais barata de trazer todos os componentes do meu produto para a minha fábrica?

Responder a essa questão envolve calcular preços de compra das peças, frete e combustível em diversas moedas diferentes – algo bem difícil para computadores tradicionais, mas relativamente corriqueiro para computadores quânticos.

A indústria farmacêutica, segundo Duzzioni, também se beneficiaria dessa tecnologia. Isso porque o lançamento de novos medicamentos exige que as empresas façam simulações das reações químicas entre os compostos presentes no medicamento e outras moléculas do corpo humano e essas simulações exigem computadores com muita memória – a um custo nada trivial.

Com um computador quântico, isso seria bem mais simples.

De maneira similar, a computação quântica seria um salto para a biotecnologia. Segundo Eric Schmidt, ex-CEO da Google e hoje membro do conselho da Alphabet, seria um jeito de finalmente introduzir a biologia no mundo digital, visto que seria enfim possível replicar células e simular ou mesmo entender o que ocorre no mundo real.

A complexidade das interações é simplesmente grande demais para nossos computadores atuais. Ferramentas de computação quântica seriam, em sua opinião, “o primeiro aparelho digital que se comporta como o mundo analógico”.

Eric Schmidt fala sobre novas tecnologias, genética e computação quântica no Interesect 2018, evento da Udacity no Vale do Silício

As vantagens da computação quântica para armazenamento

Isso porque a computação quântica também trará inovações para a maneira como armazenamos dados. Novamente, como os qubits podem assumir outro valor além de 0 ou 1, é possível armazenar muito mais dados em um número bem menor de qubits.

Dois bits, por exemplo, podem representar quatro valores: 00, 01, 10 ou 11. Como os qubits podem estar em mais de um estado ao mesmo tempo, dois qubits podem representar esses quatro valores ao mesmo tempo; três qubits, portanto, podem representar oito valores ao mesmo tempo, e cinquenta qubits podem representar mais de um quatrilhão (mil trilhões) de valores ao mesmo tempo.

Para se ter uma ideia: de acordo com a IBM, simular o funcionamento de um computador com apenas 56 qubits exigiria um exabyte (um milhão de terabytes) de memória. A empresa divulgou esse dado como parte de uma pesquisa publicada no final do ano passado, em que divulgava que conseguiu realizar uma simulação desse tipo usando menos memória ao dividi-la em várias partes.

Mais recentemente, uma equipe da Universidade de Melbourne conseguiu realizar uma simulação ainda mais impressionante. Com “apenas” 13,8 terabytes de memória, eles simularam o funcionamento de um computador quântico de 60 qubits. Essas simulações, conforme divulgado pela instituição, são importantes para ajudar a entender como os computadores quânticos funcionam.

Há dois pontos interessantes aqui. O primeiro deles é que, para simular um número bem pequeno de qubits, é necessária uma quantidade imensa de bits do modelo atual de computação. Agora pense no outro lado: um eventual sistema quântico de armazenamento seria praticamente capaz de gravar todo o universo global de dados em um pen drive.

O outro é que as simulações são usadas para ajudar a compreender o funcionamento dos próprios computadores quânticos. Embora a teoria por trás dos computadores quânticos seja bem conhecida, na prática eles ainda estão longe de serem totalmente compreendidos – e, de certa forma, o avanço precisa ser exploratório.

Os desafios da computação quântica

Essa exploração acontece desta maneira devido aos mesmos princípios da mecânica quântica que são responsáveis pelas capacidades impressionantes dos computadores quânticos.

Segundo esses princípios, quando uma partícula em superposição é observada, ela muda seu estado, uma propriedade chamada de “decoerência”. Em outras palavras, não dá para descobrir o estado de um qubit sem alterar esse estado.

O renomado físico Richard Feynman explica os mistérios da física quântica

Como Duzzioni aponta, a decoerência se torna um obstáculo para a realização da computação quântica, visto que parte do nosso modelo atual de computação exige que sejamos capazes de observar os valores assumidos por cada bit para conferir se tudo está correto.

Praticamente todos os computadores atuais são capazes de realizar aferições desse tipo. Às vezes, por conta de fatores como radiação ambiente ou temperatura, o valor de um dos bits armazenados pode acabar mudando de 0 para 1 ou vice-versa, e a detecção desses erros é importante para garantir que não haja nenhuma corrupção nos dados armazenados, por exemplo.

Como mecanismos de correção de erro são essenciais em qualquer computador, os computadores quânticos precisam de portas lógicas muito mais avançadas – e ainda não há um modelo unanimemente aceito como o melhor para realizar essa tarefa.

Por enquanto, segundo Duzzioni, o que ainda acontece é a busca por uma adaptação dos métodos de correção de erros dos computadores tradicionais para a computação quântica. Essa área, segundo ele, é uma na qual ainda há bastante trabalho a ser feito.

A decoerência é um dos fatores que tornam a computação quântica distante. Por conta dela, mesmo entre os computadores quânticos já desenvolvidos, ainda não é possível confirmar que eles estejam de fato funcionando de acordo com os princípios da mecânica quântica.

Ou seja, o mistério é tanto que ainda não há provas de que os computadores quânticos existentes estejam cumprindo seu verdadeiro potencial.

Computação quântica e criptografia

Outra questão levantada pela computação quântica é que um computador quântico funcional tornaria obsoletas muitas das técnicas de criptografia atuais, e isso tem consequências bastante práticas.

A criptografia é o mecanismo de segurança de dados usado para garantir o sigilo das mensagens trocadas pelo WhatsApp, transações bancárias e inúmeras aplicações de segurança. E boa parte dos sistemas de criptografia que usamos hoje dependem do sistema RSA, que pode ser desmontado pela nova computação.

De maneira bem simplificada, o sistema RSA – a sigla traz a primeira letra dos sobrenomes de seus principais inventores, Ron Rivest, Adi Shamir e Leonard Adleman – depende da utilização de duas chaves, uma pública e que qualquer pessoa pode ver, e a outra privada.

Esse sistema se baseia em números primos muito grandes: a chave pública é um número primo gigantesco, e a chave privada é composta por dois números menores que, multiplicados, resultam naquele número gigantesco.

Esse sistema funciona porque, para computadores tradicionais, é incrivelmente difícil descobrir quais são os números primos que resultam naquele número gigantesco ao serem multiplicados. Para um computador quântico, porém, trata-se de um problema corriqueiro.

Atualmente, uma mensagem criptografada com uma chave pública só pode ser decriptada com a chave privada correspondente. Mas num mundo de computadores quânticos acessíveis, será possível descobrir essa chave privada rapidamente e, com isso, decriptar a mensagem protegida.

O que vai, volta

Curiosamente, os próprios princípios da mecânica quântica podem oferecer uma nova forma de criptografia que promete ser ainda mais segura. Trata-se da criptografia quântica, que aproveita a propriedade da decoerência para garantir o sigilo das mensagens.

E lembrando: a decoerência é a propriedade das partículas em superposição de mudarem de estado quando observadas. A criptografia quântica basicamente se aproveita desse princípio usando a superposição como chave criptográfica da mensagem.

Ou seja: se a mensagem for interceptada, a chave mudaria de estado, tornando a mensagem ilegível.

Por mais complicado que esse sistema pareça, Duzzioni afirma que é a tecnologia quântica mais próxima da nossa realidade. A China já realizou, com sucesso, diversos testes de comunicações desse tipo, inclusive a “chamada de vídeo mais segura do mundo” feita entre a China e a Áustria.

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Quanto falta para a computação quântica?

Computadores quânticos propriamente ditos, no entanto, ainda estão há alguns anos de distância, segundo Duzzioni.

Os desafios, como vimos, não são poucos ou simples de se resolver – pelo contrário. E mesmo que sejam superados, é muito pouco provável que você troque seu PC de casa por um PC quântico nas próximas décadas, já que eles funcionam em circunstâncias bem diferentes.

Isso porque colocar uma partícula em superposição não é nada simples. Um dos computadores quânticos que já existem é o 2X, da D-Wave Systems – o mesmo que ilustra a foto desse artigo –, e precisa ser colocado a uma temperatura próxima do zero absoluto (-273ºC) para funcionar. E para atingir essa temperatura, é necessário que ele seja colocado em uma câmara de vácuo. Nada que você consiga encaixar no cotidiano.

Por isso, Duzzioni acredita que, quando os computadores quânticos começarem a aparecer, eles devem surgir como computadores de nuvem.

Da mesma maneira como hoje é possível alugar servidores de empresas como a AWS servidores para armazenar dados e realizar cálculos complexos, será possível, no futuro, alugar um computador quântico.

Duzzioni não arrisca um palpite de quanto tempo deve levar para que isso aconteça. Mas ele acredita que pode ser mais cedo do que imaginamos: “Tem muitas empresas e universidades investindo muito dinheiro nisso”.

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