A transformação digital está mudando o mundo mais rápido do que nunca. Aprender sobre os principais conceitos da era digital se tornará ainda mais crítico com a chegada iminente de outra nova onda de tecnologia capaz de transformar os modelos existentes com velocidade e poder surpreendentes: a computação quântica.
Neste artigo, comparamos os conceitos básicos de computação tradicional e computação quântica, e também começamos a explorar sua aplicação em diferentes áreas.
O que são propriedades quânticas?
Ao longo da história, os humanos desenvolveram tecnologia à medida que passaram a entender o funcionamento da natureza por meio da ciência. Entre as décadas de 1900 e 1930, o estudo de alguns fenômenos físicos ainda não bem compreendidos deu origem a uma nova teoria física: a Mecânica Quântica. Esta teoria descreve e explica o funcionamento do mundo microscópico, o habitat natural de moléculas, átomos e elétrons.
Não só conseguiu explicar esses fenômenos, mas também possibilitou entender que a realidade subatômica funciona de maneira completamente contra-intuitiva, quase mágica, e que ocorrem eventos no mundo microscópico que não ocorrem no mundo. mundo macroscópico.
Essas propriedades quânticas incluem superposição quântica, emaranhamento quântico e teletransporte quântico.
- Sobreposição quântica descreve como uma partícula pode estar em diferentes estados ao mesmo tempo.
- Emaranhamento quântico descreve como duas partículas podem ser levadas a um estado “emaranhado” e, depois disso, responder quase simultaneamente da mesma maneira, apesar de sua distância física. Em outras palavras, eles podem ser colocados tão distantes quanto desejado, e, ao interagir com um, o outro reage a essa mesma interação.
- Teletransporte quântico usa o entrelaçamento quântico para enviar informações de um lugar para outro no espaço sem a necessidade de viajar pelo espaço.
A computação quântica é baseada nessas propriedades quânticas de natureza subatômica.
Nesse caso, a compreensão atual do mundo microscópico por meio da Mecânica Quântica nos permite inventar e projetar tecnologias capazes de melhorar a vida das pessoas. Existem muitas tecnologias diferentes que usam fenômenos quânticos, e algumas delas, como lasers ou ressonância magnética (MRI), existem há mais de meio século.
O que é computação quântica?
Para entender como os computadores quânticos funcionam, é útil primeiro explicar como funcionam os computadores que usamos todos os dias, chamados neste artigo de computadores digitais ou clássicos. Estes, como todos os outros dispositivos eletrônicos, como tablets ou telefones celulares, usam bits como suas unidades fundamentais de memória. Isso significa que os programas e aplicativos são codificados em bits, ou seja, em uma linguagem binária de zeros e uns.
Toda vez que interagimos com qualquer um desses dispositivos, por exemplo, pressionando uma tecla no teclado, sequências de zeros e uns são criadas, destruídas e/ou modificadas dentro do computador.
A questão interessante é: o que são esses zeros e uns fisicamente dentro do computador? Os estados zero e um dos bits correspondem à corrente elétrica que flui, ou não, através de peças microscópicas chamadas transistores, que atuam como interruptores. Quando nenhuma corrente está fluindo, o transistor está “desligado” e corresponde a um bit 0, e quando está fluindo, está “ligado” e corresponde a um bit 1.
De uma forma mais simplificada, é como se os bits 0 e 1 correspondessem a buracos, de modo que um buraco vazio é um bit 0 e um buraco ocupado por um elétron é um bit 1. Agora que temos uma ideia de como funcionam os computadores atuais , vamos tentar entender como os computadores quânticos funcionam.
De bits a qubits
A unidade fundamental de informação na computação quântica é o bit quântico ou qubit. Qubits são, por definição, sistemas quânticos de dois níveis que, como os bits, podem estar no nível baixo, o que corresponde a um estado de baixa excitação ou energia definido como 0; ou no nível alto, que corresponde a um estado de maior excitação ou definido como 1.
No entanto, e aqui reside a diferença fundamental com a computação clássica, os qubits também podem estar em um número infinito de estados intermediários entre 0 e 1, como um estado que é meio 0 e meio 1, ou três quartos de 0 e um quarto de 1. Este fenômeno é conhecido como superposição quântica e é natural em sistemas quânticos.
Algoritmos quânticos: computação exponencialmente mais poderosa e eficiente
O objetivo dos computadores quânticos é aproveitar essas propriedades quânticas dos qubits, como sistemas quânticos, para poder executar algoritmos quânticos que usam superposição e emaranhamento para oferecer um poder de processamento muito maior do que os clássicos.
É importante salientar que a verdadeira mudança de paradigma não consiste em fazer a mesma coisa que os computadores digitais ou clássicos -os atuais-, mas mais rápido, como muitos artigos afirmam erroneamente, mas sim que os algoritmos quânticos permitem que certas operações sejam realizado de forma totalmente diferente; que muitas vezes é mais eficiente -isto é, em muito menos tempo ou usando muito menos recursos computacionais-.
Vejamos um exemplo concreto do que isso implica. Vamos imaginar que estamos em São Francisco e queremos saber qual é a melhor rota para Nova York dentre um milhão de opções para chegar lá (N=1,000,000). Para poder usar computadores para encontrar a rota ideal, precisamos digitalizar 1,000,000 de opções, o que implica traduzi-las em linguagem de bits para o computador clássico e em qubits para o computador quântico.
Enquanto um computador clássico precisaria percorrer todos os caminhos um a um até encontrar o desejado, um computador quântico aproveita um processo conhecido como paralelismo quântico que permite, essencialmente, considerar todos os caminhos de uma só vez. Isso implica que o computador quântico encontrará a rota ideal muito mais rápido do que o computador clássico, devido à otimização dos recursos utilizados.
Para entender as diferenças de capacidade computacional, com n qubits podemos fazer o equivalente ao que seria possível com 2n bits. Costuma-se dizer que com cerca de 270 qubits, você poderia ter mais estados de base em um computador quântico – mais sequências de caracteres diferentes e simultâneas – do que o número de átomos no universo, que é estimado em cerca de 280. Outro exemplo é que se estima que com um computador quântico entre 2000 e 2500 qubits você poderia quebrar praticamente toda a criptografia usada hoje (conhecida como criptografia de chave pública).
No que diz respeito à criptografia, existem inúmeras vantagens em usar Computação quântica. Se dois sistemas são puramente emaranhados, isso significa que eles estão correlacionados um com o outro (ou seja, quando um muda, o outro também muda) e nenhum terceiro compartilha essa correlação.
Evolução
Estamos em um momento de transformação digital em que diferentes tecnologias emergentes como blockchain, inteligência artificial, drones, Internet das Coisas, realidade virtual, 5G, impressoras 3D, robôs ou veículos autônomos estão cada vez mais presentes em vários campos e setores.
Essas tecnologias, que visam melhorar a qualidade de vida humana, acelerando o desenvolvimento e gerando impacto social, estão avançando paralelamente. Raramente vemos empresas desenvolvendo produtos que exploram combinações de duas ou mais dessas tecnologias, como blockchain e IoT ou drones e inteligência artificial.
Embora estejam destinados a convergir e, assim, gerar um impacto exponencialmente maior, o estágio inicial de desenvolvimento em que se encontram e a escassez de desenvolvedores e pessoas com formação técnica significam que as convergências ainda são uma tarefa pendente.
Devido ao seu potencial disruptivo, espera-se que as tecnologias quânticas não apenas convirjam com todas essas novas tecnologias, mas também tenham uma ampla influência em praticamente todas elas. Computação quântica ameaçará a autenticação, troca e armazenamento seguro de dados, com maior impacto nas tecnologias em que a criptografia desempenha um papel mais relevante, como a cibersegurança ou a blockchain.
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