Computação Quântica
O Computador Moderno
Como vimos no tema anterior, a parte essencial do computador é o processador e cada vez mais a medida que a tecnologia vem aumentando e a engenharia se aprimorando na área da computação, os processadores tem ficado cada vez menores e mais rápidos e com isso os desafios de continuar este mesmo processo de redução e aumento de capacidade é o maior desafio hoje.
Uma das alternativas que veio para resolver este problema foi a ideia do Computador Quântico. E o que é um Computador Quântico? O que o difere do Computador Clássico (Computador Comum)?
A principal diferença de um CQ (Computador Quântico) para o CC (Computador Comum) é a forma de processamento. Como assim?! Como ja vimos anteriormente e ja estamos familiarizados com o termo "Quântico" é que o CQ não simplesmente vai operar com correntes elétricas mas sim vai operar exatamente com átomos (Prótons, Elétrons, etc)!
Simmm 😂! Acredito que alguns ja devam estar se perguntando... "Meu Deus! Para que?!" "To entendendo mais nada", parece que as coisas não ficam mais simples a medida que avançamos com este assunto da MQ, mas não se desespere! Por mais que o assunto assuste a alguns e interesse a outros, esta é a parte divertida de aprender e estudar um tema específico. É entender e ver a sua Aplicação!
Como a função deste site é transpor a MQ como algo mais "fácil" para o público, não é aqui que este esquema acabará rs. Respire fundo que vamos explicar passo a passo da forma mais simples possível.
A forma como o CC funciona é com os "bits" os (0's e 1's) e a sequencia destes números alternados ou não geram toda a informação que precisamos para fazer uso do computador ou qualquer aparelho eletrônico que seja. Não muito diferente, o CQ vai utilizar uma forma parecida de bits, mas uma forma mais complexa e bastante "otimizável", o famoso " Qubit" ( bit quântico) .
O Qubit nada mais é que a superposição dos binários (0 e 1), lembra do que falamos sobre a superposição de ondas no tema de MQ? Então! É exatamente isso como os CQ's vão processar a informação. Para quem ainda esta boiando, o CQ funciona não simplesmente medindo se tem corrente (1) ou se não tem corrente (0) mas ele faz seu processamento através de estados físicos "Quânticos" que se mede através de uma propriedade da matéria elementar principalmente os elétrons que é o chamado "Spin", ou seja, o CQ não processa a informação com 1 ou 0 mas sim 1 e 0 ao mesmo tempo , por isso (superposição).
Diferentemente do CC que mede um bit de cada vez, ou é o número 1 ou 0 , nunca os dois ao mesmo tempo. Fazendo isso a possibilidade de processamento aumenta exponencialmente para problemas e tarefas extremamente complexas que exigem uma quantidade de cálculos muito grandes e vários processos e consequentemente achar essas várias possíveis soluções em fração de segundos. Os dois videos abaixo darão uma ideia mais clara de como isso funciona na prática. Obs: Ative as legendas!
Como criar um Qubit
Como criar um Computador Quântico
Matemática por trás do Computador Quântico
Em resumo, o computador manipula partículas elementares. E a forma com que controlamos estas partículas elementares nos permite fazer os cálculos complexos e que exigem várias etapas em questão de horas ou minutos. A produção dessa informação a nível atômico é chamado de Qubit e ela é produzida através do controle de uma propriedade intrínseca do elétron, como mostrado no primeiro vídeo.
A manipulação deste Spin é feita com a imersão desta partícula em um campo eletromagnético, onde este campo emite uma frequência, chamada de frequência de ressonância. A frequência de ressonância nada mais é que aplicar um vibração parecida com a vibração natural de um certo material ou partícula, e quando essa frequência atingir o objeto alvo, vai fazer com que ele fique excitado (aumenta sua energia) e comece a vibrar no modo que quisermos.
O interessante de se fazer isso com o elétron é que causamos uma superposição de estados como explicado no segundo vídeo, o CC só permite os bits estarem somente em 0 e 1, o Qubit é um "limbo"ele consegue estar em valores intermediários entre estes dois valores como por exemplo (0,1 ; 0,59; 0,90, etc...). Isso permite através de um software projetado para o CQ interpretar resultados mais complexos e extensos em um tempo muito reduzido se comparado ao computador convencional.
Como vimos no segundo vídeo, os Qubits por exemplo |01> ; |10> quando superpostos vão apresentar seus estados em uma fração do tempo, ou seja, a alternância desses valores variam de acordo com que o tempo passa, por isso o CQ também é um sistema muito "frágil" pois qualquer variação externa neste sistema pode modificar completamente a informação, e não somente a presença de fatores externos mas também o tempo que estes estados permanecem até ser medido são extremamente rápidos, o que faz o processo de medição ser também um desafio.
E caso não tenha percebido claramente nos vídeos anteriores você deve estar se perguntando... "Ta! Um computador super rápido que controla vibrações de um elétron para fazer cálculos complexos... e daí? Cada a praticidade nisso tudo? Este super computador serviria apenas para fazer contas complicadas?
A resposta curta é sim e não! A vantagem de se ter um CQ é sim pela sua capacidade de fazer cálculos muito superiores comparado com o CC, mas é justamente nesta vantagem que certas áreas do conhecimento científico que envolvem várias variáveis, problemas extensos e com muitas possibilidades de serem resolvidos, o CQ faria este trabalho em questões de minutos.
Há vários exemplos para aplicação deste tipo de computação para resolvermos problemas, tais como a previsão do tempo. As variáveis para conseguirmos entender a atmosfera terrestre são tantas que quando vemos nos noticiários o jornal anuncia uma Probabilidade de chuva e nunca uma certeza, há uma chance de 30% de chover em São Paulo, no dia tal e como de fato ja vivenciamos isso, por mais que o jornal diz que irá chover em um dia , talvez realmente não chova.
Porque isso acontece?! Simplesmente pela complexidade do sistema atmosférico, e esta complexidade esta na quantidade de fatores que influenciam na atmosfera a causar por exemplo uma chuva, seja a pressão atmosférica, a temperatura na região específica, a densidade do ar, a humidade do ar, diferenças de pressão em outras regiões que afetam a região no qual se mede, e por ai vai. Casas decimais em cálculos como estes fazem uma diferença astronômica, e quanto mais casas decimais menor é a margem de erro na previsão de fenômenos dinâmicos como o clima.
Incrível não?! Até agora com toda esta informação passada a você, você deve estar se perguntando "Ta! Então num futuro todos os computadores vão se tornar quânticos?" A resposta é que não sabemos e não podemos afirmar nada ainda. Como ja dito em alguns dos vídeos o CQ não substitui totalmente os computadores que temos hoje, mas é garantido que para tarefas específicas que ja citamos o CQ tem um desempenho ridiculamente maior que o CC, sendo assim os CQ's são de fato a próxima evolução da computação e tudo o que acompanha. Como citado também sobre a criptografia, em um futuro não muito distante tudo que temos hoje considerado protegido por sistemas criptografados, estão ameaçados por um CQ, mas como é mostrado no vídeo do Nerdologia, ja estão sendo feito estudos sobre Criptografia quântica, justamente para suprir esse rompimento de segurança com esse novo tipo de computação.
O processo de comunicação também quando estes CQ's forem fabricados em larga escala, a forma deles trocarem a informação um com outro vão ser completamente diferente da comunicação atual, usando fótons (luz) e uma consequência da teoria quântica chamada de "Entrelaçamento Quântico" ou "Emaranhamento Quântico". Claro o conceito formal é bastante rebuscado e não nos cabe entende-lo perfeitamente agora e aqui, mas a ideia é que quando duas partículas subatômicas se aproximam muito uma da outra, suas propriedades se conectam (ainda não se sabe hoje como e porque isto acontece), mas este fenômeno ja foi testado inúmeras vezes e comprovado experimentalmente (Nos vídeos adicionais haverá vídeos explicando melhor).
Como por exemplo, peguemos uma partícula elementar que chamaremos de P1 e uma outra P2, quando juntamos estas duas partículas suas propriedades se ligam, para entendermos o entrelaçamento quântico, vamos separar estas duas partículas a uma distância muito grande, peguemos a P2 e coloquemos na superfície de Netuno por exemplo, (distância de Netuno à Terra é de aproximadamente 4.504.300.000 km). Segundo esta teoria do entrelaçamento, se fizermos qualquer alteração na partícula P1 que ficou conosco na Terra que esta interligada de forma desconhecida com a partícula P2 em Netuno, esta partícula P2 irá responder o efeito oposto instantaneamente! Ou seja, este fenômeno ignorou aparentemente a Teoria da Relatividade que diz que a velocidade limite no universo é a velocidade da luz (300.000 km/s). Por este motivo o criador da Teoria da Relatividade, Albert Einstein apelidou este fenômeno como (Ação Fantasmagórica a Distância). Lembrando que por mais que este fenômeno tenha ja sido provado verídico com experimentos, ele não desvalida a Teoria da Relatividade. Apenas estamos tratando de fenômenos de dimensões extremamente diferentes, no qual a teoria de relatividade não se aplica.
Aplicando isso a comunicação entre computadores como por exemplo a Internet que conhecemos hoje, há uma chance caso não esteja usando uma conexão segura de um alguém estar espionando e bisbilhotando toda sua conversa, informação e seu uso na internet. Agora para os CQ's a comunicação pode ser feita com estes fótons entrelaçados. Segundo a teoria qualquer ruído (ou agente externo que queira interferir, como por exemplo no contexto da comunicação e internet) a informação é completamente embaralhada e irreconhecível, e se não até aniquilada, por este motivo os CQ's podem ser a próxima geração de computadores mais seguros e íntegros no quesito de privacidade com sua informação e para alguns especialistas um sistema praticamente inviolável.
Bom até aqui espera-se que você leitor tenha compreendido o impacto que a Teoria Quântica faz na nossa atual sociedade, dependemos dela constantemente e suas aplicações encontra-se nas mais diversas áreas do conhecimento, seja engenharia de materiais, química, engenharia química, engenharia militar, medicina, indústria farmacêutica, dentre vários outros exemplos onde ela é extensamente aplicada. O que se espera de você ao final deste material didático é ter compreendido todo o processo de construção da teoria quântica, entender as principais ideias e teorias por trás destes fenômenos e claro entender onde se aplicam, e talvez ter ao menos despertado seu interesse sobre o tema, pois quem sabe, num futuro não muito longe seja você quem vá descobrir a próxima teoria que vai abalar os conceitos científicos da ciência moderna?!