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Tecnologia

A disputa pela vantagem computacional quântica

A invenção de uma máquina está prestes a revolucionar a computação por conta de sua capacidade de armazenar e processar dados velozmente

Para além das acirradas disputas pela vacina mais eficaz contra a covid-19, outra corrida científica avança no mundo de hoje. E já não é aquela que um dia existiu pela supremacia na exploração e tecnologia espacial. Agora, países e cientistas se voltam para o muito pequeno: fótons, elétrons, átomos. Os princípios da física quântica, desenvolvida no século XX, tornaram possível imaginar a existência de um computador completamente diferente, o chamado computador quântico.

Capaz de resolver problemas insolucionáveis pelas máquinas clássicas, essa invenção colocaria em xeque a criptografia, envolvendo questões que vão desde a confiabilidade das transações na Internet à própria segurança nacional. Como mecanismo de proteção e segurança de dados, a criptografia embaralha uma mensagem de tal maneira que só pode ser lida por destinatários autorizados que conhecem a chave (ou segredo) para descriptografar o texto. Esse tipo de tecnologia, por exemplo, é usado no WhatsApp. Um computador quântico poderia quebrar a chave e decodificar os dados facilmente.

“As duas potências no passado eram Estados Unidos e Rússia. Atualmente, são China e Estados Unidos, e a disputa está bem acirrada. Os norte-americanos ganham disparado em termos de desenvolvimento e exploração da parte da computação quântica, mas os chineses vencem quando se sai dessa área e se considera o que a gente chama de informação quântica, algo mais abrangente, que inclui também criptografia e comunicação quântica”, explica a professora Hilma Vasconcelos, do Departamento de Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará.

A pesquisadora dedica-se à chamada tomografia de estados quânticos (TEQ). Já que não é possível fazer uma medição direta nesses estados, a física estuda maneiras de descobrir se um determinado estado, de fato, foi gerado.

Enquanto dispositivos clássicos trabalham sobre a ideia de bit, a menor unidade de informação, a máquina quântica explora o q-bit

“A ideia toda é comparar aquilo que você tem com o que você acha que tem. É bem parecido com você fazer uma tomografia no joelho porque suspeita que está com um problema. Quando você chega ao laboratório, ninguém vai serrar o seu joelho e olhar dentro dele. O que é que se faz? São tiradas várias imagens 2-D do joelho e assim se monta uma imagem 3-D em cima disso. Então, a ideia da tomografia de estados quânticos é esta: você faz projeções, você faz algumas medidas, mas não são aquelas medidas diretas que destroem o seu estado”, ilustra a professora.

A investigação é feita em parceria com o físico Scott Glancy, com quem a pesquisadora trabalha há 15 anos, desde a época do doutorado na Universidade de Notre Dame, nos Estados Unidos.

DO BIT AO Q-BIT

Enquanto um dispositivo clássico trabalha sobre a ideia de bit, a menor unidade de informação, a máquina quântica explora o q-bit. No computador tradicional, a informação é codificada considerando-se ausência e presença de alguma coisa, como uma corrente. Trata-se, portanto, de um sistema binário.

Já nos aparelhos quânticos, devido às propriedades das partículas, é possível obter uma maior capacidade de armazenamento e codificação. “Em vez de ter apenas 0 ou 1, a gente pode ter uma superposição dessas duas possibilidades”, afirma Hilma Vasconcelos. A ideia da computação quântica é codificar a informação numa superposição, e, não, fazer a medição para descobrir em qual estado se encontra. O motivo é que, se a medição for feita diretamente, ela colapsa a superposição e perde-se a informação.

Outra propriedade importante das partículas é o emaranhamento. Também chamado de efeito spooky, acontece quando duas partículas quânticas estão tão ligadas que não é possível descrever uma sem mencionar a outra, mesmo que estejam a distância. Essa propriedade tem muita importância: é através dela que se realiza o teletransporte de informação de um lugar para outro, sem mandar matéria ou energia. Em outras palavras, trata-se de, por exemplo, codificar a informação de um elétron e transmitir essa informação para outro elétron distante, sem que exista interação entre eles.

QUÂNTICO OU NÃO?

Uma das desvantagens dos sistemas quânticos, no entanto, é a sua sensibilidade: interagem com o meio e perdem informação facilmente. Esse é um dos motivos que explicam por que não é fácil comprovar se uma determinada máquina é quântica ou não. Em 2019, o Google fez o anúncio da criação do que seria um computador quântico. Antes, em 2016, a IBM havia disponibilizado o que seria o primeiro computador quântico de acesso remoto e público, a IBM Quantum Experience. O objetivo era, com a plataforma, possibilitar a qualquer pessoa simular e executar uma computação em um computador quântico.

No artigo da Nature, o time do Google descreve como o chip interno, chamado Sycamore, concluiu em minutos um problema de matemática que levaria 10 milênios para ser solucionado pelo melhor supercomputador que temos disponível hoje.

Os pesquisadores da área vêm afirmando que muito provavelmente nunca existirá um computador completamente quântico de uso comercial, mas sim um equipamento híbrido

“O que a equipe demonstrou é exatamente o que chamamos de vantagem quântica: pela primeira vez, um computador quântico superou um clássico. Em alguns anos, saímos do D-Wave, uma máquina que não é um computador quântico de uso geral, para a demonstração da vantagem quântica”, explica Hilma Vasconcelos.

Outro avanço mais recente na área é de autoria dos chineses. Em 2020, eles publicaram um artigo na Science em que descrevem o uso do computador quântico deles, o Jiuzhang, para obter certos resultados em minutos. “É estimado que precisamos de mais de 2 bilhões de anos para obter esses mesmos resultados em um dos supercomputadores mais poderosos que temos no mundo atualmente”, enfatiza a pesquisadora, acrescentando que a tecnologia do computador quântico desse grupo chinês é diferente com relação à do Google.

Outra novidade interessante que foi mostrada neste mês na Nature é que robôs aprendem mais rápido com a tecnologia quântica.Ainda de acordo com a física, os pesquisadores da área vêm afirmando que muito provavelmente nunca existirá um computador completamente quântico de uso comercial, mas sim um equipamento híbrido.

“A parte de hardware provavelmente vai ser uma destas implementações: supercondutor, íon aprisionado ou outras. Mas a parte de troca de informação deve ser por fótons, porque já conseguimos, hoje, mandar fótons de um lugar para o outro o tempo todo, muito facilmente, através de fibra óptica”, avalia.

TRANSPORTE DE INFORMAÇÕES

A pesquisadora Hilma Vasconcelos foi coautora de um artigo de bastante relevância na área, publicado na Science, em maio de 2019. Intitulada “Quantum gate teleportation between separated qubits in a trapped-ion processor” (“Teletransporte de porta quântica entre q-bits separados em um processador de íons aprisionados”), a pesquisa apresenta um experimento que propõe um modo de melhorar o transporte de informações em computadores quânticos. A investigação contribuiu para estudar maneiras de fazer os q-bits (bits quânticos) interagirem em distâncias cada vez maiores, necessárias à medida que a escala dos processadores quânticos aumenta.

O estudo é fruto da investigação da pesquisadora no National Institute of Standards and Technology (NIST) e na Universidade do Colorado, nos Estados Unidos, durante o seu estágio pós-doutoral. A docente da UFC integrou a equipe da Divisão de Matemática Aplicada e Computacional do NIST, que desenvolveu os modelos teóricos e estatísticos do estudo.

No momento, ela e outros pesquisadores estão terminando dois artigos. Um deles deve ser submetido para publicação ainda em abril.

Fonte: Hilma Vasconcelos, professora do Departamento de Engenharia de Teleinformática da Universidade Federal do Ceará – e-mail: hilma@ufc.br

Síria Mapurunga 6 de abril de 2021

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