A computação quântica tem o potencial de mudar completamente a compreensão atual da natureza da realidade. Existe uma teoria de que a computação quântica revelará que o universo se divide em múltiplos universos paralelos, e cada um deles contém uma versão da realidade com resultados diferentes. Ainda é um tema de debate entre os físicos, mas pode ser verdade.
Isso desperta seu interesse em computação quântica? Se assim for, vamos mergulhar e explorar essa tecnologia emocionante.
Computação quântica: definição e princípios
A computação quântica procura aproveitar os princípios únicos da mecânica quântica. Em sua essência, a computação quântica é baseada na ideia de usar bits quânticos (ou qubits), que não representam apenas um único valor binário para realizar cálculos. E o objetivo do campo é criar novas e poderosas tecnologias de computação.
A computação quântica é baseada em alguns princípios-chave:
- Superposição – Permite que os qubits representem vários valores ao mesmo tempo. Por exemplo, um qubit pode representar 0 e 1, enquanto os bits clássicos podem ser apenas 0 ou 1.
- Emaranhamento – Quando dois qubits são emaranhados, seus estados ficam ligados de uma forma que não pode ser explicada pela física clássica. O que o torna especial é que as informações entre os dois qubits se tornam instantaneamente transmissíveis. A distância entre eles não importa.
- Decoerência – Esta é uma desvantagem. Os delicados estados quânticos dos qubits podem ser perturbados por seu ambiente, o que faz com que percam sua coerência. Nesse caso, eles se tornam iguais aos bits clássicos.
O conceito de computação quântica pode ser difícil de compreender, mesmo para o ramo de física de partículas. A ideia de superposição e emaranhamento pode ser particularmente alucinante, por isso é normal sentir que desafia a intuição sobre como o mundo funciona no nível subatômico.
A ascensão da tecnologia
“A oportunidade da computação quântica resolver problemas de combinação em larga escala de forma mais rápida e barata, movimentou bilhões de dólares em investimentos nos últimos anos”, observam Avi Goldfarb, da Rotman School of Management, e Roger Melko, da Universidade de Waterloo.
Um dos principais fatores que impulsionam o desenvolvimento da computação quântica é seu potencial para resolver problemas. Por exemplo, os computadores quânticos demonstraram ser capazes de resolver certos tipos de problemas matemáticos exponencialmente mais rápido.
Outro fator é que houve avanços significativos na própria tecnologia. Os pesquisadores têm desenvolvido novos métodos para construir e controlar qubits, e existem novos algoritmos para aproveitar as propriedades únicas da computação quântica.
Várias grandes empresas, incluindo IBM, Google e Microsoft, investiram pesadamente em P&D de computação quântica. Mas não são apenas os gigantes da tecnologia que fazem o todo o trabalho. Com a formação de novas startups e empresas, houve muitos avanços interessantes no campo por meio do esforço coletivo.
O que os computadores quânticos podem fazer?
Antes de abordar setores e casos de uso específicos, vamos falar sobre as tarefas que os computadores quânticos são capazes de realizar grosso modo.
Aprendizado de máquina
À medida que os pesquisadores se aprofundam nos limites físicos fundamentais da informação, eles estão desbravando novos caminhos. E agora eles estão descobrindo novas maneiras de processar e manipular informações.
Computadores quânticos podem processar grandes quantidades de dados simultaneamente. Isso possibilita a execução de algoritmos de ML em grande escala e com uso intensivo de dados com muito mais eficiência do que os computadores clássicos. Além disso, novos algoritmos podem aproveitar as propriedades exclusivas da computação quântica, como emaranhamento e superposição.
Otimização
Uma das principais vantagens da computação quântica para otimização é, novamente, a aceleração do processamento de cálculos. Assim, eles podem lidar com problemas que estão fora do alcance de outros algoritmos e encontrar a melhor solução entre muitas opções possíveis.
Simulação
Se você se lembra, os qubits podem existir em vários estados simultaneamente. O que isso significa para pesquisadores e empresas é que as simulações podem ser executadas em paralelo. Ainda há muita pesquisa a ser feita para realizá-lo completamente, mas já é usado para modelar com precisão o comportamento de sistemas complexos e prever suas propriedades.
Por que a computação quântica é importante?
Para entender a importância dessa tecnologia inovadora, vamos resumir e relembrar as informações abordadas até agora, listando os benefícios da computação quântica:
- Velocidade – Os computadores quânticos podem aproveitar os fenômenos da mecânica quântica em muitos campos que exigem cálculos rápidos e em larga escala.
- Paralelismo – Em vez de processar informações em uma sequência linear, essa tecnologia pode lidar com várias entradas simultaneamente.
- Eficiência energética – Esse benefício é notável devido à crescente demanda por poder computacional e os custos de energia associados.
- Comunicação segura – protocolos de distribuição de chaves quânticas e criptografia de segurança quântica são dois exemplos disso. À medida que a computação quântica avança, ela pode ser capaz de quebrar muitos dos métodos de criptografia atualmente em uso, e isso aumentou ainda mais a necessidade de tecnologias de criptografia quântica seguras.
Casos de uso atuais da indústria
Embora ainda em seus estágios iniciais, a computação quântica já mostrou resultados promissores em uma variedade de setores, indústrias e ramos:
Indústria farmacêutica
Em pesquisa e desenvolvimento, o processo de lançamento de um novo medicamento no mercado pode levar até dez anos e custar em média US$ 2 bilhões. No entanto, a computação quântica pode acelerá-lo drasticamente. Ainda mais, pode torná-lo mais direcionado e preciso.
A computação quântica torna a identificação de alvos, design de drogas e testes de toxicidade menos dependentes de tentativa e erro. Isso gera um desenvolvimento e entrega de produtos mais rápido e para os pacientes certos.
Finanças
De maneira semelhante, a computação quântica pode simular e analisar com eficiência modelos financeiros complexos. O que levaria dias ou até semanas para ser executado agora leva horas ou até minutos.
Em 2020, o JPMorgan Chase lançou uma iniciativa de computação quântica para explorar o potencial da tecnologia em finanças. As principais áreas de foco do laboratório são previsões precisas de sistemas financeiros e redes quânticas invioláveis.
Setor de manufatura complexa
A tecnologia pode ajudar a identificar as principais causas das falhas do produto em um processo de fabricação complexo. Dessa forma, a organização saberá exatamente a parte do processo que contribuiu para os incidentes de falha do produto.
Por exemplo, para produtos como microchips, o processo de produção pode ter milhares de etapas. E com a introdução da computação quântica, os produtores podem não apenas evitar falhas onerosas, mas também aumentar a eficiência dos procedimentos.
Automotivo
A computação quântica também auxilia no design de veículos. Especificamente, ajuda no desenvolvimento de materiais leves e de alta resistência que podem melhorar a eficiência energética, consumo de combustível e reduzir as emissões. À medida que a indústria automotiva continua a migrar para veículos elétricos e híbridos, ela desempenhará um papel mais crucial.
Mobilidade e gerenciamento de tráfego é outra área em que a computação quântica pode agregar extremo valor. Por exemplo, ele pode levar em consideração fatores como condições da estrada, clima e padrões de tráfego para executar o planejamento de rotas em tempo real e reduzir o congestionamento.
Observação importante: esses casos de uso acima são algumas das áreas de destaque, mas não são isolados. A computação quântica também é usada em segurança cibernética, logística, telecomunicações, energia e muitos outros setores.
Atualizações e desenvolvimentos na próxima década
“Até cerca de 2030, acreditamos que os casos de uso da computação quântica terão um modelo operacional híbrido que é um cruzamento entre a computação quântica e convencional de alto desempenho. Por exemplo, computadores convencionais de alto desempenho podem se beneficiar de algoritmos de inspiração quântica”, escreve Juan Miguel Arrazola da Xanadu Quantum Technologies.
Deixando o modelo híbrido de lado, a próxima década promete ser uma época de rápido progresso nesse campo de alta tecnologia. Aqui estão alguns desenvolvimentos a serem observados:
- Maior contagem de qubits – Aumentar o número de qubits em um sistema enquanto mantém a coerência é um dos maiores desafios atuais. A IBM e o Google estão trabalhando em sistemas quânticos com dezenas de qubits. No futuro, o número pode crescer para centenas ou mesmo milhares.
- Correção de erros aprimorada – Os pesquisadores estão desenvolvendo melhores técnicas de correção de erros que podem manter a integridade das informações, apesar do ruído e da decoerência do ambiente.
- Criptografia quântica – Quando lançada no mercado, a criptografia quântica utilizará o comportamento de partículas subatômicas para garantir a confidencialidade das mensagens. Será impossível observar o sistema sem alterá-lo.
- Novas aplicações práticas – Você pode esperar ver mais aplicações práticas da computação quântica em ciência de materiais, cadeia de suprimentos, logística, previsão do tempo e muito mais.
Como a computação quântica mudará o mundo?
Vamos criar um cenário hipotético para delinear o impacto da computação quântica no mundo. Em um mundo imaginário daqui a dez anos, uma grande empresa de energia investe em tecnologia de computação quântica. Eles desenvolvem um algoritmo quântico que pode prever a demanda de energia em tempo real e otimizar a distribuição de energia. Isso leva a uma redução significativa em sua pegada de carbono e custos de energia.
A empresa também faz parceria com um fornecedor de energia renovável para usar a computação quântica para colocar turbinas eólicas e painéis solares. O algoritmo quântico leva em consideração a velocidade do vento, a intensidade do sol e o terreno e determina o posicionamento mais eficiente.
Aqui está outro possível cenário: uma empresa desenvolve um novo algoritmo de criptografia resistente a quantum. Esse algoritmo pode simular uma ampla variedade de cenários de criptografia e identificar pontos fracos que os métodos de computação tradicionais não conseguem detectar. Essa inovação foi posteriormente adotada por governos, instituições financeiras e corporações em todo o mundo, inaugurando uma nova era de comunicação criptográfica e armazenamento de dados seguros.
Abordando preocupações sobre a computação quântica
Existem algumas preocupações que precisam ser abordadas antes que essa tecnologia possa ser amplamente adotada:
- Segurança – A computação quântica pode quebrar os padrões de criptografia atuais, comprometendo dados confidenciais. Felizmente, os pesquisadores estão explorando novas técnicas de criptografia.
- Limitações de hardware – Esses computadores exigem temperaturas de resfriamento extremamente baixas e controle preciso sobre seu ambiente. Mas com o tempo, o hardware pode se tornar mais estável e menos exigente.
- Limitações de software – As propriedades exclusivas dos sistemas quânticos tornam o desenvolvimento de software mais desafiador. Os profissionais estão se esforçando para melhorar as linguagens de programação que podem ser adaptadas às necessidades crescentes.
- Escassez de talentos – Uma forma de abordar essa preocupação é investir em programas de educação e treinamento para a próxima geração de especialistas quânticos.
- Preocupações éticas – Toda nova tecnologia corre o risco de ser mal utilizada. Portanto, estabelecer diretrizes e regulamentos éticos será crucial para garantir o uso responsável.
Etapas para se preparar para o amadurecimento e adoção da computação quântica
Como a computação quântica está se preparando para entrar em um novo estágio de desenvolvimento, a McKinsey compartilha um plano de ação de cinco etapas para líderes fora da indústria de computação quântica se manterem atualizados:
- Mantenha-se atualizado com os avanços do setor e faça com que especialistas em computação quântica analisem aplicativos de computação quântica. Adicionalmente ou alternativamente, colabore com pesquisadores externos e participe de um consórcio de computação quântica.
- Pesquise os principais riscos, disrupções e oportunidades em seu setor.
- Considere investir em empresas de software para aumentar o acesso ao conhecimento e ao talento de profissionais. Para uma abordagem mais prática, faça parceria com eles.
- Recrutar especialistas internos pode levar suas operações para o próximo nível. Uma equipe compacta de até três especialistas é suficiente para explorar possíveis casos de uso.
- Estabelecer uma infraestrutura digital que atenda às demandas operacionais fundamentais da computação quântica. Isso inclui garantir que os dados relevantes estejam disponíveis em bancos de dados digitais e configurar fluxos de trabalho de computação tradicionais para hardware mais poderoso.
Resumindo
A computação quântica tem o potencial de revolucionar a solução de problemas, conforme comprovado pelos casos de uso atuais. A tecnologia aumenta exponencialmente o poder de computação e fornece soluções para problemas complexos anteriormente insolúveis.
Em um futuro próximo, você pode esperar mais desenvolvimentos na computação quântica nas áreas de medicina, finanças, ciência do clima, criptografia, energia e muito mais. Mas, enquanto isso, esses setores também precisam fazer sua parte – atender aos requisitos de infraestrutura avançada, tanto hardware como software.
Fontes:
What is quantum computing? Amazon AWS
The world-changing race to develop the quantum computer, The New Yorker
Quantum computing use cases—what you need to know, McKinsey
Quantum computing is coming. What can it do? Harvard Business Review