Computadores Quânticos – Um desafio para o século XXI

Os Computadores Clássicos (aqueles que temos em casa e que estão à venda) permitiram e permitem ao Ser Humano alcançar grandes feitos. Sem eles, não teríamos acesso à Internet e a todas as coisas que esta ferramenta incrível nos oferece. Por exemplo, seria impossível realizar transações bancárias ou falar com um amigo que está num ponto geográfico distante do nosso.

Quanto a estas tarefas, os Computadores que temos à nossa disposição funcionam bastante bem. Mas existem outras tarefas que, simplesmente são incapazes de realizar.

Na maior parte dos casos, isto acontece porque não possuem poder computacional suficiente. Por exemplo, no que toca a problemas de otimização, os computadores não são capazes de os resolver de forma rápida.

Imaginemos uma sala de cinema em que numa fila, 10 pessoas se sentam lado a lado. De quantas maneiras diferentes é que as pessoas se podem sentar? A resposta é simples: 10!. Mas muitas vezes esquecemo-nos que 10! é, na realidade, igual a 3.628.800. Ou seja, existem 3.628.800 maneiras diferentes de sentar as pessoas. E se acrescentássemos mais uma pessoa? E mais dez? E mais cem? Estamos a falar de uma função de crescimento fatorial (f(x) = x!). Nenhum computador atual, nem mesmo um supercomputador seria capaz de efetuar esta computação. (100! = 9.332621544×10157 casos possíveis).

Mas felizmente, o Ser Humano é formável e, sem dúvida, nas próximas décadas a solução para este problema estará concluída – o Computador Quântico. Talvez nem toda a gente tenha ouvido falar dele, mas já se tornou uma realidade.

A natureza segue as leis da Mecânica Quântica, um ramo da física que explora de que forma o mundo funciona em termos fundamentais, ou seja, a nível subatómico (mais pequeno do que o átomo). A este nível, as partículas comportam-se de um modo estranho, encontram-se em mais do que um estado ao mesmo tempo e interagem com outras partículas que estão muito longe. Os Computadores Quânticos, tiram partido do Mundo Quântico para processar informação de forma inovadora e promissora.

Mas como é que os Computadores Quânticos funcionam?

Os Computadores clássicos codificam e trabalham a informação em termos de bits. Cada bit pode tomar os valores 0 ou 1. Estes 0s e 1s atuam como se fossem “Interruptores” ligado/desligado que, em última instância, concretizam as suas funções a nível computacional. Por outro lado, Computadores Quânticos são baseados em Qubits.

Qualquer sistema com mais do que dois níveis (Estados) pode ser usado como Qubit. Por exemplo, num eletrão é possível avaliar o seu Spin: cima ou baixo. Por sua vez, num Fotão é possível avaliar a polarização da luz: horizontal ou vertical.

Os Qubits operam de acordo com dois princípios fundamentais da Física Quântica: Superposição e Entrelaçamento Quântico. O fenómeno da Superposição, significa que cada Qubit pode representar um 0 e um 1 ao mesmo tempo. Para ilustrar este fenómeno, existe um paradoxo muito famoso criado pelo físico Austriaco, Erwin Schrödinger:

Um gato, um frasco e uma fonte radioativa são colocados numa caixa fechada. Se um monitor interno detetar radioatividade, o frasco abre-se libertando o veneno que mata o gato. De acordo com a Interpretação de Copenhaga de Macânica Quântica isso implica que passado instantes o gato está vivo “e” morto (simultaneamente). Apenas quando uma pessoa observa é que pode concluir se o gato está vivo ou morto.

Assim sendo, os Qubits estão ligados através de um evento subatómico que “pode” ou não acontecer.

Por outro lado, o fenómeno do Entrelaçamento Quântico mostra que os Qubits em superposição “podem” estar interrelacionados entre si. Ou seja, o estado de um (quer seja 1 ou 0) “pode” depender do estado de outro.

Usando estes dois princípios e a aleatoriedade que deles provem, os Qubits podem trabalhar em Estados mais sofisticados do que os bits. Isto permite que os computadores Quânticos funcionem de uma forma peculiar, que lhes permite resolver problemas difíceis que os computadores atuais são incapazes de resolver. Dado que, um Qubit pode estar em dois estados diferentes ao mesmo tempo, quando se aumenta o número de Qubits ficamos com 2x estados diferentes, capazes de resolver problemas rapidamente.

É possível mudar o Mundo com um Computador Quântico?

Sim. De facto, os Computadores Quânticos têm o poder para revolucionar várias áreas: Medicina e materiais, (revelando a complexidade por detrás das estruturas moleculares), otimização de logística, serviços financeiros (encontrar novas formas para modelar dados financeiros de modo a fazer melhores investimentos), Inteligência Artificial (tornar machine learning mais poderoso quando conjuntos se tornam muito grandes), Segurança na Cloud (tornar a “Nuvem” mais segura usando leis da Mecânica Quântica para manter a informação em segurança, independentemente do local onde esta se encontra ou onde é processada), entre outras.

O Grande Desafio

O Mundo Quântico parece-nos tão estranho porque nós, Seres Humanos, não nos comportamos de acordo com as Leis da Mecânica Quântica. Os Comportamentos Quânticos apenas se manifestam em escalas muitíssimo pequenas.

Sendo que o Ser Humano é um objeto de Grande Escala, todos os estranhos comportamentos que caracterizam a Mecânica Quântica desaparecem. Assim, é necessário criar um sistema perfeito, isolado e protegido de qualquer interação com o Espaço exterior. Esse é o desafio.

Grandes projetos de investigação a nível mundial têm sido realizados com sucesso. Mas para que tudo funcione os todos os componentes que fazem parte do computador quântico devem ser tratados com o máximo cuidado e dentro de laboratórios equipados com tudo o que poderá ser necessário.

Para além disso, algoritmos para computadores quânticos ainda estão a ser desenvolvidos para que cientistas possam utilizar estes computadores como ferramentas que auxiliem o seu trabalho. Como pode ser verificado, a produção em massa dos computadores quânticos está longe de ser uma realidade.

Conclusão

Os Computadores Quânticos não estão a ser criados para substituir os Computadores Clássicos e tal não acontecerá nas próximas décadas. Para além de serem extremamente difíceis de fabricar são ainda mais difíceis de manter. Mas aquilo que podemos vir a alcançar com a sua ajuda é demasiado empolgante para alguma vez a investigação nesta área abrandar. Sem dúvida, os Computadores Quânticos irão mudar o Mundo.