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É apenas uma questão de tempo até que os computadores quânticos comecem a resolver problemas do mundo real

Nesta foto, o cientista da IBM Stefan Filipp, analisa mais de perto a geladeira criogênica que manterá os qubits com temperaturas mais frias que as partes mais profundas do espaço sideral.
Trabalhando com colegas do TJ Watson Lab da IBM em Nova York, os cientistas da IBM em Zurique, na Suíça, estão construindo seu próprio laboratório de pesquisa quântica. Nesta foto, o cientista da IBM Stefan Filipp, analisa mais de perto a geladeira criogênica que manterá os qubits mais frios que as partes mais profundas do espaço sideral. (Foto: IBM Research)

A máquina quântica Sycamore 53-qubit do Google abriu as portas para uma nova era da computação.

Não, a computação quântica não atingiu a maioridade com Sycamore do Google, um computador de qubit do 53 resolvendo em segundos do 200 um problema que levaria anos até um supercomputador do 10,000. Em vez disso, é o primeiro passo, mostrando que uma computação funcional pode ser feita com um computador quântico e, de fato, resolve uma classe especial de problemas muito mais rapidamente que os computadores convencionais. Não é que agora os computadores quânticos tenham substituído os computadores clássicos. O hype da supremacia quântica é enganador, pois se baseia em uma supremacia quântica de definição muito estreita; supremacia quântica é um computador quântico que vence todos os computadores clássicos por uma tarefa especialmente construída.

A má notícia - para os entusiastas da ficção científica - é que ele não substituirá nossos computadores atuais, mas será útil apenas para uma classe especial de problemas. Sua construção requer condições como temperaturas super baixas que podem ser criadas apenas em um ambiente especial. Não vamos usá-lo em nossas mangas, nem em nossos telefones celulares. Pelo menos ainda não, e não com a física de hoje! E nossos algoritmos de criptografia nos quais todos os protocolos da Internet e transações financeiras do mundo se baseiam são seguros, pelo menos por enquanto.

No entanto, este é um grande passo em frente, no qual bilhões e milhões de dólares estão sendo gastos por nações e empresas na crença de que isso abrirá áreas de computação que foram fechadas por enquanto. Este é o primeiro exemplo de onde um problema específico foi resolvido, mesmo que seja muito particular e especialmente criado para a computação quântica. Tais problemas poderiam ser estendidos ao mundo real: poderiam ser sobre a criação de novos materiais, novos medicamentos para atacar doenças auto-imunes e diferentes tipos de câncer. Essas descobertas podem levar à compreensão da humanidade sobre os melhores materiais de construção para o espaço, ou fornecer informações sobre curas para uma série de doenças ou enfermidades que ainda não somos capazes de tratar.

A supremacia quântica tem sido observada por criptógrafos com pavor. Em todo o mundo, todos os protocolos da Internet, transações financeiras e sistemas baseados em blockchain (por exemplo, bitcoin) funcionam via criptografia. Com computadores quânticos, toda a criptografia atual, incluindo o popular RSA os sistemas de chave pública-privada seriam facilmente quebrados, um verdadeiro pesadelo para os estados-nação e participantes financeiros que dependem desses sistemas de criptografia. Obviamente, novos sistemas podem ser criados para suportar tais ferramentas quânticas, mas a um custo enorme.

Parece que um pesquisador da NASA carregou inadvertidamente uma versão preliminar de uma pesquisa papel da equipe do Google para o servidor da NASA para documentos técnicos. Por acaso, o Google Scholar vasculha esses servidores rotineiramente e notifica a existência deste artigo para pesquisadores quânticos em todo o mundo. Foi o Google que publicou o artigo não publicado do Google!

O artigo - “Supremacia Quântica Utilizando um Processador de Supercondução Programável”, da IA ​​Quantum do Google e colaboradores como autores - agora foi removido do servidor da NASA, mas o gato está fora do saco.

Qual a diferença entre um computador quântico e um computador tradicional?

Todos os nossos computadores no uso diário - “computadores clássicos” - armazenam informações em bits que existem como um 0 ou um 1 (Falso = 0, True = 1). O computador quântico possui bits quânticos - qubits - que existem em dois estados diferentes simultaneamente, usando o fenômeno quântico de superposição. Isso permite que um computador quântico tenha muito mais estados e, portanto, muito mais informações do que um computador clássico.

A segunda diferença entre os bits clássicos do computador e os qubits é que os fenômenos quânticos têm outra propriedade, a do entrelaçamento. Cada um dos qubits está enredado com outros, dando origem a muito mais estados possíveis em que eles podem estar juntos, do que cada um deles poderia estar individualmente. Em outras palavras, o mesmo número de qubits pode lidar com um número muito maior de possibilidades do que os bits clássicos e, portanto, computa uma certa classe de problemas muito mais rapidamente. E a beleza de tais cálculos é que o tamanho do problema realmente não importa: os qubits trabalhando juntos esmagam os problemas maiores quase tão rapidamente quanto os problemas menores.

As leis da física no mundo subatômico - física quântica - diferem da física cotidiana com a qual estamos familiarizados. A possibilidade de um computador quântico, proposto pela primeira vez pelo professor Richard Feynman, era que um computador rodando com princípios quânticos resolvesse problemas mundiais quânticos em física e química. Isso significa que, se estamos tentando simular fenômenos quânticos em máquinas de computação, a única maneira de calcular o mundo quântico em tempo razoável seria construir as próprias máquinas em fenômenos quânticos, ou seja, computadores quânticos. Foi essencialmente um experimento mental de Feynman para mostrar por que simulações quânticas em computadores baseadas na física clássica não funcionariam na física quântica.

Então, por que as máquinas baseadas na física clássica não funcionam nos fenômenos quânticos? Simplificando, os cálculos de tais sistemas aumentariam exponencialmente com o tamanho do sistema - ou até que ponto no futuro o estado do sistema sendo computado. Qualquer esforço para entender os estados futuros no mundo quântico não tem respostas definitivas, mas distribuições de probabilidade, que é exatamente como um computador quântico fornece seus resultados.

Enquanto os computadores quânticos têm uma vantagem em lidar com uma grande classe de problemas, devido à natureza dos fenômenos quânticos e ao ambiente extremo - quase zero - em que os qubits existem, qualquer pequena alteração ou perturbação no ambiente produz ruído, o que significa que introduz erros nos cálculos. Um computador quântico, portanto, precisa de um mecanismo de correção de erros, efetivamente qubits adicionais para esta tarefa. Como o ambiente de qubit é muito difícil, isso pode exigir um número bastante grande de qubits para correção de erros. A propósito, todas as comunicações digitais, inclusive nos computadores clássicos, também precisam de correção de erros. A questão aqui é o número de qubits que precisamos reservar para correção de erros.

Computadores clássicos não serão substituídos por computadores quânticos; eles são uma tecnologia complementar. Eles abordam uma classe diferente de problemas que os computadores clássicos, particularmente aqueles que lidam com probabilidades em vez de soluções definidas. Esses também são os problemas que não podem ser resolvidos pelos computadores clássicos, pelo menos em qualquer período de tempo razoável.

Então, qual é o uso de uma máquina dessas? Vamos olhar para o outro lado. Charles Babbage, o "pai dos computadores", usava máquinas com dispositivos mecânicos que podiam ser programados para resolver problemas matemáticos. A tecnologia, vários dispositivos mecânicos, poderia executar operações aritméticas individuais de acordo com um "programa" e resolver problemas difíceis de resolver manualmente. Mas eles eram muito caros para fabricar e pesados ​​para administrar. São as máquinas Babbage que agora se transformaram em computadores reais depois que dominamos a tecnologia dos tubos de vácuo e, posteriormente, dos circuitos eletrônicos. Demorou cerca de cem anos. As tecnologias atuais de qubit são análogas às máquinas Babbage. Portanto, o futuro combinará ambos: uma combinação de processadores clássicos e quânticos, para que um problema possa ser dividido em suas partes clássica e quântica.

Atualmente, todos os governos têm uma grande participação na prova de invasão de sua infraestrutura digital e no uso de comunicações quânticas para esse fim. Nenhum país pode ser deixado para trás, pelo menos se tiver aspirações geopolíticas - mas apenas os EUA e a China são jogadores sérios no campo no momento.

Os EUA estão atualmente à frente do jogo com o Google, IBM construindo 50-qubit arquitetura e outros logo atrás. A D-Wave Systems, uma empresa canadense, possui um sistema de qubit 2,048 em funcionamento e está construindo máquina 5,000-qubit maior. Mas eles podem resolver apenas uma classe especial de problemas e não são computadores quânticos de uso geral programáveis ​​que outros estão construindo. Os chineses estão por trás dos EUA e de suas empresas na corrida quântica dos computadores, mas alcançaram um entrelaçamento funcional de 18-qubit, uma abordagem diferente para a computação quântica e uma Máquina 24-qubit. A China parece ter muito mais pesquisadores nessa área e também um maior número de patentes e trabalhos de pesquisa. Todos os outros países que exploram computadores quânticos, incluindo a União Européia e a Índia, gastam apenas uma fração do que os EUA e a China estão gastando.

O exercício mais recente do Google trouxe a computação quântica - ou uma tecnologia que incorpora incerteza - batendo à nossa porta. Quando e como ele entrará ainda está para ser visto. Mas não é mais uma questão de se, mas quando.


Este artigo foi produzido em parceria por Newsclick e Globetrotter, um projeto do Independent Media Institute.

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Prabir Purkayastha

Prabir Purkayastha é o fundador e editor-chefe da Newsclick. Ele é o presidente do Movimento de Software Livre da Índia e é engenheiro e ativista científico.

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1 Comentários

  1. Larry N Stout 7 de outubro de 2019

    Infelizmente, um futuro a longo prazo para o Homo sapiens não computa.

    responder

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