Quantum Computing: a revolução da ciência e tecnologia

Você já ouviu falar em computação quântica (quantum computing)? Isso tudo é real? Se você assistiu os filmes da Marvel, possivelmente acredita que sim. Para entender essa história toda, precisamos voltar cerca de 200 anos.

Olhe esta máquina:

Vamos chamá-la de “o primeiro computador do mundo”, embora pareça mais com uma máquina de escrever antiquada.

Então você deve estar pensando: “com certeza em 200 anos fizemos muito progresso”. Mas acreditem, nossos computadores hoje, obviamente mais elegantes, mais rápidos e feitos de transistores, são conceitualmente idênticos ao anterior; com dispositivos de entrada e de saída, interruptores de ligar e desligar (obviamente mecânicos), isso porque ainda usamos switches on e off, que chamamos de um e zero binários.

Essa é a realidade, até bem pouco tempo atrás, fizemos quase zero progresso na história do hardware mais utilizado no mundo.

Quero então lhes apresentar Richard Feynman, um físico, que percebeu que muitos dos nossos problemas não poderiam ser resolvidos por um computador normal e que, por isso, precisávamos inventar um outro tipo de computador baseado na física quântica, porque muitos destes problemas eram quânticos. (Vem comigo, não perde a linha do raciocínio, que logo tudo fará sentido, prometo).

Ele constatou que se a natureza funcionava de forma quântica, é assim que nós também deveríamos fazer. Isso aconteceu há uns 40 anos. Só que apesar de uma brilhante ideia, ninguém sabia como torná-la realidade.

Se passaram 30 anos, algum progresso acadêmico, mas nada mais. A ideia de Feynman parecia mais algo de Star Trek e ficção científica.

Muitos cientistas tentando encontrar uma resposta, mas a realidade era como um moeda sobre a mesa, de um lado cara, do outro coroa. Uma ou outra face. Binária.

Foi em 2012 que começamos a avançar.

Mas logo chegamos ao próximo dilema: quem poderia construir esse computador?

E esse foi o início, quando há 11 anos, o Google, IBM e Honwywell anunciaram seu grupos de pesquisa quântica, até que, em 2018 tivemos um verdadeiro grande avanço. O Google anuncia a supremacia quântica. Eu sei que parece meio assustador, e é. A ficção científica começa a virar realidade, é o começo da construção de algo verdadeiramente incrível.

Hoje temos centenas de empresas na computação quântica, muitos bancos, farmacêuticas, construindo componentes para hardware e software, e estamos apenas nos primeiros anos.

Todos os sistemas de computação dependem de uma capacidade fundamental de armazenar e manipular informações. Os computadores atuais manipulam bits individuais, que armazenam informações como estados binários 0 e 1. Os computadores quânticos aproveitam os fenômenos da mecânica quântica para manipular informações. Para fazer isso, eles contam com bits quânticos ou qubits.

Um digito binário, não pode ser usado por um computador quântico, preciso de um qubit, que é um bit quântico. Pensa naquela moeda que falamos antes, porém girando. Pode acontecer de dar cara ou coroa, mas essa moeda também é livre para explorar quaisquer outras possibilidades de girar em diversas direções, e com isso, dar cara e coroa ao mesmo tempo, o que na computação quântica chamamos de superposição, que é uma identidade fluída não binária em um espectro.

A superposição pode ainda ser combinada com outra ideia de física quântica, chamada de emaranhamento, onde um qubit gira coordenado com outro, mesmo que sem relação alguma. Quando isso acontece, uma infinidade de coisas diferentes podem ser representadas. Pois a moeda pode ser cara e coroa, combinada com outras facetas de outras moedas, de forma escalável. E temos ainda a interferência, quando os estados quânticos podem sofrer interferência devido a um fenômeno conhecido como fase. A interferência quântica pode ser entendida de forma semelhante à interferência de ondas; quando duas ondas estão em fase, suas amplitudes se somam e, quando estão fora de fase, suas amplitudes se cancelam.

Achou meio confuso? Não se preocupe, todo mundo acha, mas o vídeo ajuda a entender melhor.

Veja a coreografia sofisticada de todos os qubits girando juntos e mudando seus valores, isso é um programa quântico.

Os computadores quânticos universais aproveitam os fenômenos da mecânica quântica de superposição, emaranhamento e interferência para criar estados que escalam exponencialmente com o número de qubits.

Aí você se pergunta? Por que construir um computador quântico, com toda essa complexidade?

Você gosta de café? Então vamos olhar a molécula da cafeína. É uma molécula especialmente grande, com 24 átomos. Há aproximadamente 100 anos descobrimos a equação para modelar essa molécula e descobrir suas propriedades. Se quiséssemos descobrir isso de dentro um computador, precisaríamos de um computador do tamanho do planeta, e ainda assim seria difícil.

Agora pensa numa molécula maior, como a penicilina, talvez um computador do tamanho do universo observável. Ou seja, nunca seríamos capaz de resolver este problema.

Eram esses os problemas que Feynman estava pensando, quando percebeu que precisávamos construir um computador quântico.

Quero ressaltar que o computador quântico NÃO É UM SUPERCOMPUTADOR, nem um computador mais rápido. Um computador quântico é uma maneira completamente diferente de calcular as coisas, possibilitando a resolução de problemas inimagináveis, onde o principal fator é a escala exponencial.

Todas as áreas da ciência e tecnologia serão afetadas. Toda e qualquer indústria será afetada. E para cada tipo de problema, poderemos usar uma infinidade de tecnologias diferentes.

Agora responde, quantos qubits você acredita que possui o maior desses computadores? 1, 10, 100 100?

O registro mais atual é de 433 qubits, numa máquina da IBM, mas estima-se que em dezembro eles mesmos anunciarão um computador de 1.000 qubits.

Mas saiba, uma vez que qubits são objetos físicos, pode acontecer de não girarem perfeitamente, até porque são muito frágeis. Além disso, apenas um contador de qubits são é suficiente para indicar o quão poderoso é um computador quântico. É preciso identificar taxa de erros, suas conexões e o tempo de coerência, que chamamos de volume quântico.

Estima-se que em apenas 1 ou 2 anos, teremos aplicações práticas. Então pensando nisso, a minha pergunta é: sua empresa pensa em alguma estratégia quântica? Deveria! Pois essa tecnologia afetará todas as nossas indústrias.

Vivemos hoje um momento conhecido como NISC – um termo técnico que significa quantum de escala intermediária barulhenta. Ou seja, computadores quânticos são interessantes, mas não temos tantos qubits e os que temos ainda apresentam grande taxa de erro, além de nem sempre estarem conectados. E os cientistas acham que está tudo bem, que isso faz parte da evolução. Eu concordo!

O grande avanço que o mundo tem feito hoje, é o que chamamos de correção de erros, chamada de correção quântica. Em fevereiro o Google anunciou que começamos a atingir um ponto interessante de correção quântica de erros.

Agora que toda essa ficção cientifica está virando realidade, cabe pensarmos:

O que você faremos com isso? Qual a sua aplicação prática?

O que enxergamos hoje são como peças de lego, que quando montadas podem ser maiores e resolver mais operações do que podemos imaginar. Vou tentar trazer um pouco de realidade para um melhor entendimento.

Para entender alguns exemplos, a JP Morgan, que tem uma das melhores equipes de computação quântica do mundo, se concentram no uso de aprendizagem de máquina quântica para otimização de portfólio e diferentes algoritmos de negociação. Pois acreditam que não é humano descobrir quais ações devem ser compradas e vendidas. Por isso os bancos estão tão interessados e investindo tanto em computação quântica.

Uma outra aplicação é a detecção de fraudes. Hoje, na sociedade em que vivemos, quase todos os setores apresentam algum tipo de elemento de fraude. Mas podemos usar o computador quântico para identificar qual é a fraude com base em diferente padrões, sem incomodar os clientes legítimos.

Em healthcare, computadores quânticos ajudarão a acelerar o processo de comparação das interações e efeitos de diferentes medicamentos em uma série de doenças para determinar os melhores medicamentos. O sequenciamento do genoma cria muitos dados, de modo que a representação de toda a cadeia de DNA de uma pessoa requer enorme poder computacional e capacidade de armazenamento. As empresas estão querendo rapidamente reduzir os custos e os recursos necessários para sequenciar o genoma humano; estima-se que um computador quântico tornará a forma como os genomas são sequenciados mais eficiente e mais fácil de escalar globalmente.

Pensando em supply chain, a computação quântica promete enfrentar os desafios complexos de otimização da cadeia de suprimentos que as empresas modernas enfrentam hoje. A computação quântica tem o potencial de perturbar a forma como os sistemas avançados de planejamento e otimização funcionam. Ele pode permitir que os planejadores executem planos com o toque de um botão e realizem o planejamento de cenários dinamicamente.

Na agricultura, os computadores quânticos podem nos ajudar a produzir fertilizantes com mais eficiência. Por exemplo, usar os supercomputadores atuais para testar digitalmente as combinações catalíticas corretas para produzir amônia levaria séculos para ser resolvido. Um computador quântico seria capaz de analisar rapidamente processos químicos catalíticos e encontrar a combinação ideal de catalisadores para isso, rapidamente.

Falando das farmacêuticas, elas estão super interessadas em moléculas com milhares de átomos. Pense na descoberta da vacina do covid, se tivéssemos acesso a computação quântica?

Agora vamos falar de processo quântico de linguagem natural. Quem já usou Alexa, Siri ou algum chatbot, ja usou NPL (processamento de linguagem natural). Agora, começamos a desenvolver o processamento quântico de linguagem natural, uma versão quântica para a teoria matemática, onde estima-se que teremos o início de uma IA genuína. Isso é assunto para outro artigo.

Enfim, os computadores quânticos poderão estimular o desenvolvimento de novos avanços na ciência, medicamentos para salvar vidas, métodos de aprendizagem automática para diagnosticar doenças mais cedo, materiais para fabricar dispositivos e estruturas mais eficientes.

Isso tudo, é a ponta do icerberg. E as empresas precisam desenvolver o músculo quântico, visando integrar o quantum à sua empresa em um futuro breve.

Acredita-se que em 7 anos, a computação quântica estará intregada a absolutamente tudo. Cientistas estimam sua onipresença. Já se fala até em smartphone quântico, e tudo isso pode ser mais cedo que imaginamos.

Eu não tenho dúvidas:

THE FUTURE IS FUNDAMENTALLY UNCERTAIN BUT EXCITING.

E você? O que acha?