Computação Quântica: o que está por trás dessa tecnologia e quais suas tendências?

A taxa de conhecimento produzido pelo ser humano cresce a uma velocidade exponencial, ou seja, de forma acelerada e em escala. Nunca se desenvolveu tanto e em tão pouco tempo. Nesse cenário, os modelos de processamento e armazenamento de informações tradicionais podem não ser suficientes para lidar com os problemas modernos, essencialmente aqueles associados aos campos do big data, da inteligência artificial e de simulações complexas. 

Como resposta a essa necessidade de leitura e armazenamento de uma grande quantidade de dados, a computação quântica tem se tornado objeto de estudo constante dos principais players tecnológicos do mercado. 

De forma geral, trata-se de uma área emergente da tecnologia, que se diferencia da computação tradicional por utilizar bits (binary digit) quânticos, e não os clássicos. Os qubits, como aqueles são chamados, operam sob um dos princípios mais importantes da física quântica: a superposição de estado. Assim, em vez de funcionar pela dinâmica de bits, que são executados por meio de portas lógicas em um sistema no qual representam ou 0 ou 1, a computação quântica possibilita que esses mesmos valores (0 ou 1) existam em uma superposição de estado, podendo ser 0 e 1 ao mesmo tempo.

Além disso, os qubits também podem ser emaranhados, o que amplifica a capacidade de processamento dos dados. Algo como:

Na prática, isso se reflete em uma forma de execução de cálculos muito mais rápidos do que a experienciada por computadores clássicos, na possibilidade de quebra de códigos criptográficos em tempo recorde, na simulação de sistemas quânticos com mais robustez etc. 

Por isso, a computação quântica é uma das alternativas para a resolução de problemas matemáticos complexos.

Neste artigo, vamos dar continuidade ao tema “Computação Quântica”, destacando seu conceito, história, investimentos e apostas para o futuro. Continue conosco.

O que é computação quântica? 

De acordo com a Amazon, a computação quântica (ou quantum computing) descreve um campo multidisciplinar que compreende aspectos da ciência da computação, da física e da matemática que utilizam a mecânica quântica para resolver problemas complexos mais rapidamente do que os computadores clássicos. Ou seja, em essência, as bases da mecânica quântica (área da física que estuda o comportamento de partículas em um nível microscópico, como átomos, elétrons, prótons etc.), tais quais a superposição e a interferência quântica, são utilizadas para acelerar a análise de dados e os cálculos de problemas complexos em computadores quânticos.  

Para isso, a computação quântica funciona conforme um novo dicionário de termos e de características:

• Superposição – permite que qubits existam em múltiplos estados simultaneamente, ou seja, em 0 e 1 ao mesmo tempo. Esse atributo contrasta com os bits clássicos, que só podem estar em um estado de cada vez (0 ou 1).

• Entrelaçamento (Emaranhamento) – um fenômeno em que dois ou mais qubits se tornam interdependentes, de tal forma que o estado de um qubit instantaneamente afeta o estado do outro, independentemente da distância entre eles, permitindo uma comunicação e um processamento de dados mais eficientes.

• Decoerência – refere-se a um dos desafios da computação quântica, que descreve a perda de coerência quântica, quando os qubits interagem com o ambiente externo, causando a perda de suas propriedades quânticas. Nesse sentido, manter a estabilidade dos qubits e garantir cálculos precisos são questões que precisam ser superadas no universo da computação quântica.

Existem ainda outros elementos que definem uma computação quântica: 

• Qubits – são a unidade básica de informação na computação quântica. Ao contrário dos bits clássicos, que só podem estar em um estado (0 ou 1) de cada vez, os qubits podem existir em uma superposição de estados, permitindo que eles sejam 0 e 1 ao mesmo tempo. Essa propriedade é baseada no princípio da superposição quântica.

• Interferência Quântica – é utilizada para controlar estados quânticos e aprimorar a precisão dos cálculos. Ela permite que estados de qubits se combinem de maneiras específicas, amplificando ou cancelando probabilidades para produzir os resultados desejados. 

A história por trás da computação quântica

A história da computação quântica está intimamente ligada ao desenvolvimento da física quântica. 

• Em 1900, Max Planck introduziu a ideia de quantização de energia (pacotes de energia), marcando o início da física quântica. Essa teoria sugeria que a energia não era contínua, mas, sim, dividida em pequenos “pacotes”. 

• Em 1905, Albert Einstein confirmouesses conceitos ao explicar o efeito fotoelétrico, mostrando que a luz pode ser vista tanto como uma onda quanto como um pacote de energia (fóton), o que solidificou a ideia de quantização na física.

• Em 1924, Louis de Broglie contribuiu com a teoria dualística onda-partícula, aplicável tanto à luz quanto aos corpúsculos, como o elétron. O cientista sugeriu que partículas como elétrons também poderiam se comportar como ondas, o que foi um avanço significativo para a mecânica quântica. 

• Richard Feynman, um dos principais físicos do século XX, desenvolveu teorias que ajudaram a entender melhor a eletricidade, raios-X e magnetismo. Em 1965, foi laureado com o Prêmio Nobel de Física por suas descobertas no campo da eletrodinâmica quântica. Anos mais tarde, em 1981, deu uma palestra intitulada “Simulando a Física”, na qual propôs a ideia de usar computadores quânticos para simular sistemas quânticos.
  
  Na época, o cientista observou que um computador clássico possuía limitações físicas e matemáticas que tornavam cálculos quânticos impraticáveis, então se perguntou se um computador fundamentado no princípio quântico não realizaria tais operações.  

• Antes disso, em 1980, Paul Benioff conceituou, pela primeira vez, a ideia de um computador quântico, teorizando que um sistema quântico poderia ser usado para simular um computador clássico.

Essas teorias abriram caminho para a compreensão dos fundamentos necessários para a computação quântica, que começou a tomar forma nos anos 1980.

• Mais tarde (1985), David Deutsch, físico da Universidade de Oxford, introduziu o conceito de uma máquina de Turing quântica, estabelecendo as bases teóricas para o desenvolvimento da computação quântica. 

Deutsch foi pioneiro ao explorar como um computador quântico poderia superar as limitações dos computadores clássicos usando princípios de superposição e emaranhamento.

• Na década de 1990, no Bell Labs, uma equipe liderada por Peter Shor desenvolveu o primeiro algoritmo quântico, o algoritmo de Shor, reconhecido pelo seu potencial de fatorar grandes números exponencialmente mais rápido que os algoritmos clássicos.

• Já em 1996, Lov Grover desenvolveu o algoritmo de busca quântica de Grover, o qual é reconhecido por buscar um item não ordenado em uma lista não estruturada com uma eficiência significativamente maior do que os algoritmos clássicos equivalentes. 

Com esses avanços teóricos, a computação quântica começou a se desenvolver rapidamente. 

Nos últimos anos, grandes empresas de tecnologia e governos têm investido pesadamente em pesquisa e desenvolvimento de computadores quânticos práticos.

Investimentos em computação quântica nos últimos anos

Os investimentos em computação quântica têm crescido significativamente na última década. Nos Estados Unidos, por exemplo, a Lei Nacional de Iniciativa Quântica, aprovada em dezembro de 2018, visa fomentar o desenvolvimento da computação quântica no país. Além disso, empresas como Google, IBM e Microsoft estão na vanguarda dessa revolução tecnológica. Acompanhe alguns feitos nesse sentido:

• Google – com seu processador quântico Sycamore, o Google já havia reclamado a posição de “supremacia quântica” em 2019, ao afirmar que a tecnologia realizava, em menos de três minutos e meio, um cálculo que levaria 10 mil anos se executado pelo supercomputador mais poderoso do mundo atualmente (o Frontier, do Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos EUA);

• IBM – desenvolveu o IBM Q System One, o primeiro sistema de computação quântica integrado comercialmente disponível, e abriu o primeiro centro de computação quântica dos EUA; 

• Microsoft – criou a linguagem Q# e oferece um kit de desenvolvimento quântico gratuito, para que desenvolvedores e pesquisadores explorem essa nova fronteira tecnológica. 

Apostas para o mercado em relação à computação quântica

O mercado de computação quântica apresenta várias tendências promissoras. A tecnologia pode, inclusive, revolucionar setores inteiros, como o das farmacêuticas, de finanças, segurança cibernética e inteligência artificial. Além disso, à medida que o conceito avança, novos modelos de negócios e aplicações inovadoras deverão emergir, impactando a forma como a sociedade lida com dados e resolve problemas complexos.

A exemplo desses avanços e transformações, em 2024, a Microsoft, em parceria com a Quantinuum, anunciou ter desenvolvido um sistema de computação quântica que registrou o menor número de erros já vistos. A empresa utilizou a tecnologia de virtualização de qubits, a menor unidade de processamento quântico, em conjunto com o hardware da Quantinuum, para rodar 14 mil experimentos quânticos sem falhas.

Esse resultado representa uma evolução significativa na tecnologia, que supera as limitações dos qubits físicos, que sofrem com alta instabilidade e erros frequentes.

Onde a computação quântica pode ser utilizada?

Nesse contexto, a computação quântica tem potencial para transformar uma ampla gama de indústrias e aplicações:

• Medicamentos – simulação de interações químicas complexas, o que acelera o desenvolvimento de novos medicamentos;

• Aprendizado de máquinas – aprimoramento de algoritmos de aprendizado, tornando-os mais rápidos e eficientes;

• Criptografia – capacidade de quebrar e criar sistemas de criptografia de alta complexidade;

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Leia também: Criptografia quântica vs criptografia tradicional: qual a relação entre elas?
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• Simulação de mercados financeiros – modelagem mais precisa e rápida de sistemas financeiros complexos;

• Logística e cadeia de suprimentos – otimização de processos logísticos e de distribuição;

• Modelagem climática – simulação de sistemas climáticos complexos para prever mudanças climáticas com maior precisão;

• Engenharia – uso em projetos de materiais avançados, com simulação de propriedades em nível atômico e molecular;

• Otimização – resolução de problemas complexos de otimização, como design aerodinâmico e planejamento de produção.

Limitações da computação quântica

Apesar de seu potencial, a computação quântica ainda enfrenta desafios significativos. Entre eles estão a decoerência quântica, que pode causar erros nos cálculos, e a dificuldade de escalar sistemas quânticos para aplicações práticas. Além disso, a necessidade de novas linguagens de programação e algoritmos adaptados à computação quântica é uma barreira que precisa ser vencida.

Para superar esses desafios, é necessário o investimento em uma estratégia de especialização dos profissionais de TI. Somente com a capacitação para lidar com tecnologias emergentes é possível impulsionar o progresso nesse campo e no de outras ferramentas que surgem no mercado. 

Os treinamentos, certificados e cursos são o principal incentivo para a geração de insights valiosos e para a troca de informações essenciais, além de serem responsáveis por preparar os profissionais para os desafios de uma sociedade em constante transformação.  

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