O que é a computação quântica

Quando aprendi Informática, há quase quarenta anos, foi-me ensinado o que são bits, bytes, como funciona o código binário na computação e os princípios da álgebra de Boole, a lógica de verdadeiro ou falso. No fundo, tudo no raciocínio informático girava à volta do 0 (zero) e do 1 (um), o “If-then-else“. Volvidos uns anos (mais ou menos uns 30) passou-se a falar com mais insistência em Inteligência Artificial (IA) em tudo o que é sítio, nos seus mais recentes desenvolvimentos, quer seja na condução autónoma, seja nas aplicações que usam modelos de IA (como os bot no atendimento, por exemplo), seja na revolução com a alteração futura no emprego, na evolução na saúde, etc., no fundo seja por bons motivos, ou pelos piores motivos, como na IA generativa em que imagens criadas que de facto não existem e foram geradas em computador, falsificando e deturpando realidade. Mas podemos ainda ver o pior, como o que se tem visto e falado com as deep fakes e na intromissão no nosso quotidiano, muitas vezes muito subtilmente e nem nos apercebemos que estamos a ser manipulados.

Quando em 2022, mas com mais relevo em 2023, em tudo o que é meios de comunicação social, foi o muito falado ChatGPT, visto como o “supra sumo” das aplicações de IA ou um eventual perigo para a humanidade, como alguns afirmam, ou simplesmente um programa que poderá revolucionar muita coisa na nossa vida, algo que eu pessoalmente não acredito. De facto, todas estas formas de computação, têm por base modelos de redes neurais de IA e não são assim tão recentes. Se recuarmos aos anos 50 e pensarmos em Alan Turing e todos os seus contributos para a informática, considerado o pai ciência computacional e da inteligência artificial, como o teste de Turing tinha como objectivo verificar se era possível uma máquina imitar o pensamento humano.

A evolução tecnológica tem sido em boa verdade avassaladora , mas se pensamos um pouco nos princípios postulados pela Lei de Moore, então percebemos como os avanços com a ciência e com a tecnologia vão duplicando a cada 18 meses, eventualmente menos em termos de tempo.

Recentemente, deparei-me com algo que realmente poderá revolucionar toda a nossa vida e que poderá ir muito para lá da Inteligência Artificial (IA). Estou a referir-me à computação quântica, que podemos considerar uma nova forma da ciência da computação, totalmente inovadora, ainda em desenvolvimento e que me levou a explorar, pesquisar e a tentar conhecer mais acerca deste novo modelo, aplicado às tecnologias da informação.

Na realidade, a computação quântica altera um conjunto de paradoxos sobre quase tudo o que até aqui me foi sempre incutido, ensinado e explicado sobre o processo que está na origem da lógica das tecnologias da informação, o sistema binário. Os estados binários, o tal zero e o um, ou o estar ligado ou estar desligado, o verdadeiro ou falso, o “If-Then-Else” de acordo com a álgebra de Boole. Com este modelo computacional tudo muda, já que ao mesmo tempo pode ser zero e um, mas também pode ser zero e zero, ou um e um. O que pode parecer muito confuso e contrário a todas as regras apreendidas na lógica binária. Este modelo computacional, denominado de computação quântica, altera inúmeros paradigmas da computação clássica. No entanto, este modelo computacional, baseia-se na teoria quântica, ou física quântica, elaborada por Max Planck e prémio Nobel em 1918, nos estudos realizados em 1925 por Werner Heisenberg e não esquecendo todos os trabalhos apresentados por Albert Einstein, sobre este tema.

Fundamentos da Computação Quântica

A base da computação quântica reside na mecânica quântica, uma teoria física que descreve o comportamento das partículas subatómicas. Ao contrário dos bits clássicos que podem representar 0 ou 1, as unidades de informação na computação quântica, chamadas de “qubits” ou bits quânticos, podem existir em uma superposição de estados, representando simultaneamente 0, 1 ou uma combinação ponderada dos dois. Além disso, os qubits também podem estar entrelaçados, o que significa que o estado de um qubit está intrinsecamente ligado ao estado de outro e é possível o seu conhecimento, independentemente da distância de processamento entre eles. O entrelaçamento quântico permite que os computadores quânticos resolvam problemas com extrema complexidade muito mais rapidamente.

O que ficamos a perceber com a computação quântica, a superposição de estado e o entrelaçamento, torna possível obter o paralelismo quântico (algo só visto em filmes de ficção científica, nos universos paralelos), ou seja, ao permitir processar informações simultaneamente, tornando-se numa abordagem totalmente diferente da computação clássica, mas também uma forma de um qualquer processamento informático poder ser milhares de vezes mais rápido. Para tentar perceber melhor todo este modelo de funcionamento, há que estudar o algoritmo de Shor e os fundamentos aplicados na computação pelo físico Richard Feynman nos anos 80.

Nota: Nem todos os problemas beneficiam do mesmo modo com a computação quântica. Para muitos tipos de tarefas, os computadores clássicos, incluindo supercomputadores, ainda são mais eficazes. Além disso, a tecnologia de computação quântica ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento, enfrentando desafios técnicos significativos, como a correção de erros quânticos. Em resumo, a velocidade e rapidez de processamento entre um supercomputador e um computador quântico dependem da tarefa específica em questão e do estado atual da tecnologia em ambos os campos.  

Descomplicar a computação quântica

Vou tentar explicar melhor o que se entende por computação quântica e superposição usando uma analogia, de modo a tentar descomplicar o princípio da superposição. 

Imaginemos que temos uma moeda e essa moeda ou está virada para cima (cara) ou com a face para baixo (coroa), agora experimente pô-la a rodar sobre o seu eixo rapidamente, você não consegue dizer para qual dos lados ela está virada, podemos dizer que a moeda está em uma superposição de cara e coroa, porque de facto ela está simultaneamente nos dois estados de cara e de coroa. Só vamos saber o lado quando a moeda parar de girar. Então conclui-se que enquanto a moeda está a girar, esse estado quântico seria equivalente a termos um electrões numa superposição de spin up (cara) e spin down (coroa), mas vamos colocar esta analogia em que a moeda representa um Bit, podendo ser de zero (cara) e um (coroa), enquanto ao realizar esta brincadeira e experiência, num estado quântico e que esteja em superposição perfeita, metade das vezes o resultado será spin up e outra metade spin down.  É aqui que aparece o termo Qubit em que permite a superposição entre os dois estados clássicos, zero ou um. 

Superposição e Entrelaçamento

A superposição e o entrelaçamento são propriedades quânticas que proporcionam à computação quântica uma vantagem única sobre a computação clássica. Enquanto os bits clássicos estão restritos a um estado único num determinado momento, os qubits quânticos podem explorar múltiplos estados simultaneamente. Isso permitirá que os computadores quânticos realizem operações paralelas em larga escala, acelerando a resolução de problemas complexos. Um computador quântico pode resolver diversos cálculos e operações que actualmente levam muito tempo a resolver, como sejam modelos climáticos, na saúde, na astronomia, em criptografia, etc., em poucos segundos.   

A computação quântica e as alterações na nossa vida

A computação quântica oferece um potencial de vir a transformar vários aspectos da nossa sociedade e tecnologia, ao proporcionar avanços significativos em várias áreas. Aqui estão algumas maneiras em como a computação quântica pode beneficiar a humanidade:

• Criptografia e Segurança: A computação quântica tem a capacidade criar novos modelos que garantam uma maior segurança, mais robustos e com criptografia que garanta comunicações praticamente impossíveis de serem interceptadas e descriptografadas, mas também a capacidade para quebrar qualquer código criptográfico.

• Simulações de Sistemas Complexos: A computação quântica é ideal para simular sistemas quânticos complexos, como moléculas (na saúde) podendo revolucionar a descoberta de novos medicamentos ou em materiais com a introdução de materiais com propriedades específicas, mais resistentes, mais leves e com maior condutividade ao calor (por exemplo). 

• Otimização: Algoritmos quânticos têm o potencial de resolver problemas de optimização de maneira mais eficiente do que os métodos clássicos. O que se poderá refletir em questões complexas e relevantes para a logística, em questões de finanças, ou no planeamento urbano..

• Aprendizagem de Máquina (Machine Learning) Quântica: Algoritmos quânticos podem ser usados para acelerar certos processos de aprendizagem de máquina, levando a avanços em reconhecimento de padrões, análise de dados e de inteligência artificial (como a condução autónoma).

• Na Medicina e na Biologia: A computação quântica pode melhorar a modelar novas proteínas e moléculas, acelerando a pesquisa em áreas como terapia genética e no desenvolvimento de medicamentos personalizados, mas também na identificação precoce de doenças como o Alzheimer, Cancro.

• No Clima e no Meio Ambiente: Algoritmos quânticos podem ajudar na análise de dados climáticos complexos e na otimização de processos de redução de emissões, contribuindo para um impacto positivo no meio ambiente.

O interesse das grandes empresas na computação quântica

São já muitos milhares de milhões investidos nesta nova tecnologia em diversas empresas e têm vindo a investir no desenvolvimento da computação quântica nos últimos 5 anos, nestas empresas incluem-se nomes como: a Google, a IBM, a Microsoft, a Intel, a Amazon, a Samsung, a Huawei, a Alibaba, entre outras.

Essas empresas estão a investir sobretudo em pesquisa e desenvolvimento, assim como em infraestruturas de computação quântica, em que o trabalho de parceria com universidades e outros centros de pesquisa, poderá acelerar o seu desenvolvimento. Em Portugal existem já alguns cursos superiores e de especialização que possuem a vertente computação quântica, como na universidade de Aveiro, na universidade nova de lisboa, na universidade do Minho, entre outros.

Assista no vídeo abaixo, à explicação dada por Michio Kaku, um conhecido físico, sobre computação quântica e aos seus prognósticos e desenvolvimentos futuros.

Conclusão

A computação quântica, a Inteligência Artificial e o “Big Data” e tudo o que estas novas tecnologias em conjunto podem trazer no futuro, apesar de estar em fases diferentes de desenvolvimento, já que podemos considerar que ainda está muito no início destes novos desenvolvimentos. No entanto, a cada dia que passa, os avanços que vão surgindo, quase de forma silenciosa e sem nos apercebermos, mas que vão revolucionando diversas indústrias, ou na saúde, no desenvolvimento de novos materiais, etc. Porém, os supercomputadores, ainda terão muito um largo percurso a percorrer nos próximos anos, a Universidade do Minho instalou um supercomputador (Deucalion), já que Portugal foi um dos países escolhidos para instalar um dos oito novos supercomputadores europeus, que para termos uma ideia de comparação estes supercomputadores têm uma capacidade de memória cerca de 16 mil vezes mais do que o típico computador pessoal portátil e uma capacidade de armazenamento de vários petabytes.

Posso dizer, assim como muitos analistas e cientistas o dizem, que a computação quântica pode ser uma revolução na nossa vida, como foi a revolução industrial, a electricidade, ou a Internet. 

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