Eu acompanho de perto o desenrolar técnico científico dos computadores quânticos e da revolução que a chegada destes equipamentos realizará na computação como conhecemos hoje. Nada disso seria possível sem o desenvolvimento de uma nova unidade de armazenamento, o qubit, a unidade de informação com qualidades quânticas. Ao invés de tratar as informações de maneira isolada, o qubit integra as informações de todos os dados criando dimensões para o processamento.
Nos últimos anos, aprendi um pouco mais sobre a informação quântica e suas aplicações através da alocação de elétrons. Um bit convencional é capaz de assumir uma única informação como positiva ou negativa, ou ainda 0 ou 1. Toda a computação moderna é construída em cima desta base binária na qual, em essência, toda informação assume apenas duas possibilidades diferentes e de maneira independente das demais.
Também conhecido como qubit ou simplesmente qubit, o bit quântico também assume valores 0 e 1, mas ao contrário do bit comum, suas informações podem ser sobrepostas umas às outras. Enquanto a base binária soma a informação de cada bit, uma sobreposição de qubits resulta na multiplicação de suas possibilidades.
Abaixo, fiz uma tabela de quantidades de qubits e bits. E como se pode ver, 1 bit equivale a 1 qubit e armazena uma única informação. Mas enquanto 2 bits juntos armazenam apenas duas informações, 2 qubits armazenam 4 informações diferentes, do mesmo modo que 3 bits armazenam 3 informações contra 8 informações armazenadas por 3 qubits.
Tabela 1 – Tabela de bits X qubits
Enquanto a informação total armazenadas pelos bits é igual à soma direta deles (1 + 1 + 1 + … = n), a informação armazenada por um conjunto de qubits cresce exponencialmente (2 x 2 x 2 … = 2^n). Cada bit adiciona uma única informação ao conjunto, já um único qubit dobra a capacidade de informações dele.
A tabela 2, abaixo nos dá uma ideia de quão grandioso e fabuloso é a essência dessa unidade poca conhecida nessa nova era de revolução tecnológica. Hoje em dia, já estamos acostumados com os Giga bytes e até os Tera bytes. Nesta tabela estão os prefixos internacionais de unidades. O Sistema Internacional de Unidades especifica um conjunto prefixos de unidade conhecidos como prefixos SI ou prefixos métricos. Um prefixo SI é um nome que precede uma unidade de medida para indicar um múltiplo ou submúltiplo da unidade. Cada prefixo tem um símbolo único que é colocado à frente do símbolo da unidade.
Todas as grandezas físicas, como distância, velocidade, energia, entre outras, são relacionadas ao sistema de unidades, (SI), O sistema MKS (metro, quilograma, segundo), o sistema Imperial (usado em países como o Reino Unido), entre outros. E portando, como a maioria das grandezas físicas apresenta um grande intervalo de valores muito
pequenos e até valores muito elevados. Podemos citar como exemplo a grandeza física massa: Massa do elétron: 9,109x𝟏𝟎𝟑𝟎 kg, Massa do Sol: 1,989x 𝟏𝟎𝟑𝟏kg etc.
Como trabalho com eletrônica e desenvolvendo Placas de circuitos impressos e hardwares, sempre estou a usar o sistema SI, como por exemplo 34×10³ Ω – quer dizer
34.000 Ω ou ainda, também posso escrevê-la assim: 34 kΩ
Outra grandeza bem interessante é o ano-luz, que é a distância que a luz percorre, no vácuo, durante um ano. Para calcular quanto vale a distância de 1 ano-luz é necessário saber a velocidade da luz no vácuo, que é 299792,458 km/s, e considerar que o tempo de um ano, de acordo com o calendário gregoriano, é de 365,2425 dias. Agora basta transformar os dias do calendário gregoriano em segundos e multiplicar pela velocidade da luz no vácuo. Assim teremos a informação de que um ano-luz é 9.460.536.068, 016 km (9,46 trilhões de quilômetros) ou ainda 9,46 X 1018
A fim de simplificar a tabela 3 e mediante as grandes unidades físicas como por exemplo o ano-luz, fica melhor se soubermos quanto vale as unidades quilo, Mega, Giga, Tera e Penta, pois como já mencionei 9,46 X 1018 equivale `9 trilhões e 46 Mil Bilhões
Para isso simplifiquei até o EXA, pois até essa unidade são as mais usadas no dia de muitos estudantes e profissionais das áreas tecnológicas. A tabela 4 faz muito bem isso.
Tabela 3 – SIMPLIFICAÇÃO DO SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)
A NOVA REALIDADE É SUPREMACIA QUANTICA
Fabricantes como Google, IBM e Intel estão trabalhando na produção de processadores quânticos, que são capazes de fazer cálculos milhões de vezes mais rápidos do que qualquer outra máquina já criada. Os computadores quânticos saíram da teoria e chegaram ao mundo real. Entre os
exemplos estão o chip Bristlecone de 72 qubits e o rival Tangle Lake, de 49 qubits, de Google e Intel, respectivamente. A IBM também tem um projeto de máquina quântica experimental de 50 qubits.
Quando passarem ser usados em todo seu potencial, as implicações devem ser drásticas nos ramos de pesquisa, inteligência artificial, processamento de dados e segurança digital, além de novos campos que podem surgir com o tempo. Como sabemos já faz anos que os cientistas decifraram o DNA humanos e de outros animais. Os cientistas do Projeto Genoma Humano (dos EUA, Reino Unido, França, Alemanha, Japão e China) anunciaram recentemente que já conseguiram decifrar 99,99 por cento do genoma humano, mais de 90 por cento do qual tinha sido já cartografado até 2001.
Decifrar o genoma humano significa ir ao âmago da estrutura em hélice do ácido desoxirribonucleico (ADN), em cuja longa cadeia se escondem os milhares de genes que contêm as instruções para o funcionamento do ser humano.
Também chamado de “livro da vida”, o mapa genético abre novas portas para o conhecimento do ser humano, nomeadamente sobre doenças, mas os cientistas avisam que a evolução será lenta. Espera-se que nos próximos dez anos o conhecimento do genoma possa começar a ser aplicado na medicina. A diabetes e algumas formas de cancro podem ser os primeiros alvos, mas uma nova medicina, direcionada para os genes, só aparecerá a longo prazo, explicava em 2001 o cientista Francis Collins, diretor do Projeto Genoma Humano.
Entretanto com a possível supremacia quânticas esse senário será totalmente diferente a ponto de resolver os problemas epidemiológicos e doenças simples e complexas como o câncer em geral e problemas cardíacos em outras palavras a humanidade não morrerá mais de doenças e nem de velhice
Figura 1 – Processador quântico da Intel – fotos da Internet
Apesar disso, é importante salientar: é pouco provável que um dia trocaremos nossos computadores atuais por sua versão quântica. Por mais empolgante que o processador quântico possa parecer, ele terá pouca utilidade em nossas atividades cotidianas, como assistir a um vídeo no YouTube ou rodar um jogo no Steam, por exemplo.
Para se ter ideia desse potencial, cada qubits a mais multiplica exponencialmente sua capacidade de processamento. Se 10 qubits podem representar 1.024 valores diferentes, com 15 qubits esse número salta para 32.768.
Para muitos pesquisadores, a chamada “supremacia quântica” — ou seja, o momento em que os computadores quânticos ultrapassarem a barreira física de processamento dos computadores tradicionais — ocorrerá quando mais de 50 qubits puderem operar em conjunto. Apesar das notícias mais recentes serem promissoras, ainda estamos longe dessa realidade.
Isso porque usar um computador quântico requer diversos cuidados. Diferente do processador comum, a natureza instável da partícula subatômica exige um ambiente livre de qualquer interferência externa. Em geral, os computadores quânticos operam em temperaturas baixíssimas — o da IBM fica estável a -273ºC — e em locais isolados onde nem ondas de rádio podem entrar.
Figura 2 – Sistema de processador quântico de 50 qubits da IBM — Foto: Divulgação/IBM
Por esses e outros motivos que, repetimos, é pouco provável que um dia teremos um iPhone equipado com um processador quântico. Ainda há questões como o alto custo de produção e a dificuldade em programar em cima de uma arquitetura tão complexa como essa, além do fato de que o usuário comum pouco se beneficiaria da capacidade gigantesca de cálculo que ele proporcionaria.
Além disso, diferente do que se pensa, os computadores quânticos não devem aposentar os nossos PCs atuais. A ideia de muitos cientistas é que eles operem em conjunto, com cada plataforma trabalhando em problemas específicos de cada meio.
Mas isso não significa que os computadores quânticos não terão impacto em nossas vidas. Pelo contrário: a questão da criptografia já tem mexido com os ânimos de muitas pessoas. Chaves que antes demorariam bilhões de anos para serem quebradas poderão ser decodificadas em pouco tempo com os processadores quânticos. Por isso que, futuramente, será preciso criar novos códigos para garantir a segurança dos dados digitais.
Figura 3 – IBM apresenta computador quântico de 20 qubit — Foto: Divulgação/IBM
Também se espera que a inteligência artificial possa se beneficiar da maior capacidade de cálculos para criar ferramentas autônomas cada vez mais eficientes. Fora isso, pesquisadores poderão fazer simulações virtuais muito mais realistas e prever catástrofes climáticas, entender o funcionamento de novos remédios no corpo humano ou criar materiais usando a química quântica. Alguns especialistas garantem que essa é só a ponta do iceberg e que há muitas novidades por vir e novos campos a se explorar. Por isso, tantas empresas e governos correm para tornar os computadores quânticos viáveis para o mundo. A revolução não será sentida nos nossos celulares, mas mudará tudo o que entendemos por computação.
Apesar de escondido nos fundos de um quarteirão da cidade a 150 km de Los Angeles (EUA), o laboratório foi o palco de uma revolução no mundo da computação. Foi ali, atrás das paredes cor de papelão, que dezenas de experts em física teórica, ciência da computação e engenharia conseguiram criar o primeiro computador quântico a executar uma tarefa impraticável pelo mais poderoso dos computadores tradicionais. Isso é a tal da supremacia quântica, que até então só existia nos livros.
Figura 4- GOOGLE apresenta o interior de seu computador quântico de 75 qubit
Estas máquinas dificilmente poderiam ser colocadas dentro gabinetes e sobre mesas de escritório. Elas têm quase dois metros e ficam suspensas por meio de uma armação de metal. São protegidas por uma “panela gigante” de alumínio.
O segredo, porém, é bem pequeno. Está no chip Sycamore, que permite “desligar” a interação entre dois qubits vizinhos.
Figura 5 – IGOOGLE apresenta computador quântico de 75 qubit
São sete andares, sustentados pela estrutura de metal que fica no topo. Parece um lustre
— a semelhança é tanta que a IBM, que trabalha com a mesma lógica, chamou uma de suas máquinas de “chandelier”.
Essa configuração serve para que a máquina suporte e mantenha o frio, que vai diminuindo de cima para baixo, e transmita a informação até os três chips quânticos, que ficam na base, o ponto mais gelado do universo.
Dentro do recipiente prateado, a temperatura beira os -273ºC, ou seja, o zero absoluto — ali é mais frio do que no espaço. Só assim para fazer os qubits (bits quânticos) presentes nos chips ali dentro, sossegarem e se preocuparem apenas em processar dados.
O físico teórico John Preskill, professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia que inventou a expressão “supremacia quântica”, costuma explicar que os qubits são tão pequenos que só de olhar para eles já causa uma perturbação, que desalinha o sistema e faz com que todo o resultado produzido tenha de ser descartado. Essa perturbação é causada, por exemplo, pela aproximação de outro qubit.
Para contornar esse problema, as partículas foram estabilizadas com refrigeradores conectados por meio de cabos supercondutores —fios capazes de transmitir eletricidade sem gerar calor— a equipamentos eletrônicos que usam tecnologia digital, por onde os
comandos são inseridos. É por isso que a máquina é cheia de fios —são cerca 2.000 deles, todos conectados cuidadosamente.
Como resfriar completamente a geringonça leva dois dias inteiros, um fio errado, e lá se vão seis dias de trabalho (dois para o primeiro resfriamento, dois para esquentar a máquina a fim de fazer a correção e outros dois para esfriar novamente).
Garantir esse ambiente estável foi fundamental para o avanço feito pelo Google. Quanto mais qubits juntos, mais imprevisíveis e instáveis eles são. Mas é exatamente o aumento da quantidade que garante maior poder de processamento. Para driblar esse beco sem saída, a empresa elaborou o chip Sycamore com um design que permite “desligar” algumas interações entre os qubits, de modo que eles fiquem menos ouriçados indevidamente.
O segundo superpoder é a capacidade de as partículas se entrelaçarem de maneira que uma passa a responder às mudanças da outra. Dá até para saber características de uma partícula pela observação das outras às quais está entrelaçada, mesmo que estejam separadas por enormes distâncias.
Figura 6 – GOOGLE apresenta a estrutura de seu computador quântico
Os cabos supercondutores de alta tecnologia são capazes de conduzir os pacotes de informação, via pulsos elétricos. São eles que levam os dados de um computador posicionado do lado de fora do panelão até os processadores quânticos, e trazem de volta os resultados processados.
A programação pode ser feita por uma plataforma na nuvem. No laboratório, um dos computadores fica conectado a uma grande tela sensível ao toque, na qual é possível ditar os comandos para o qubits —e simular seus resultados, caso você queira testar antes os resultados.
No display, dá para criar algoritmos quânticos como se fossem blocos de montar. Basta arrastar e soltar. Os qubits são posicionados em uma fileira seguidos das várias
possibilidades de interações entre eles. No fim das contas, a configuração do algoritmo acaba parecendo uma partitura.
Na prática, a plataforma serve para que interessados se familiarizem com algoritmos quânticos —e aqui não estamos falando de qualquer um, mas de doutores com pesquisas que requeiram processamento avançado.
Um dos primeiros computadores que deram início à era da informática faz aniversário 14 de fevereiro de 1946. Concebido e projetado pelos engenheiros John Mauchly e John Presper Eckert da Universidade da Pensilvânia, o ENIAC (sigla para Electronic Numerical Integrator And Computer) foi apresentado oficialmente ao público nesta data
Figura 7 – ENIAC (Foto: Reprodução: Wikipedia)
A montagem do ENIAC começou três anos antes dele ser apresentado e o projeto foi financiado completamente pelo exército norte americano durante a 2ª Guerra Mundial. O computador foi originalmente criado para calcular trajetórias de projéteis para o laboratório de balística do exército, mas suas funções também permitiam uma série de cálculos complexos diferentes. No total o computador podia realizar até 385 multiplicações, 40 divisões ou até três cálculos de raíz quadrada por segundo que para aquela época era um feito estrambólico.
Figura 8 – ENIAC (Foto: Reprodução: Wikipedia)
Assim como os computadores atuais, o ENIAC também tinha milhares de resistores e capacitores. Mas diferente dos atuais, em que esses componentes são minúsculos e não tem válvulas, o ENIAC usava válvulas, resistores, capacitores e diodos enormes (seguindo o padrão da época) que o faziam pesar mais de 27 toneladas.
O ENIAC custou 500 mil dólares na época (com inflação isso chega a 6 milhões de dólares) e só foi desmontado uma vez em novembro de 1946, para deslocamento. Depois disso, em julho de 1947, foi religado e ficou operando até outubro de 1955, quando foi finalmente desligado de vez.