A corrida para chegar aos computadores quânticos

Os computadores clássicos, aqueles de bits e transistores que usamos no dia-a-dia, têm muitas limitações e não conseguem resolver diversos problemas complexos, por mais que a tecnologia de processadores tenha se desenvolvido nas últimas décadas. Como avançar a inteligência artificial com ferramentas não tão avançadas? Como prever os impactos da mudança climática sem alto poder de processamento? A melhor aposta para resolver problemas altamente complexos de múltiplas variáveis é o avanço da computação quântica.  

Grandes empresas, como Google e IBM, e também agências governamentais vêm investindo na tecnologia há mais de dez anos e estima-se que nas próximas décadas eles já terão ultrapassado as capacidades dos computadores clássicos. O mais interessante e assustador: ninguém sabe de fato qual a real capacidade dessas super máquinas. 

Como funciona a tecnologia

É inegável a transformação que a informática atual causou em nossas vidas. Tarefas e atividades que antes demoravam dias ou até semanas para serem realizadas, hoje podem ser feitas em questão de segundos. Isso tudo sem que precisemos de um computador de mesa ou um notebook, apenas com nossos celulares. Existe, no entanto, um limite para o que nossos computadores clássicos podem conquistar. Assim, os computadores quânticos aparecem como uma possibilidade nova para estimular o desenvolvimento de novas descobertas científicas. Os computadores quânticos universais aproveitam os fenômenos mecânicos quânticos de superposição e emaranhamento para criar estados que escalam exponencialmente.  

Enquanto os computadores clássicos contam com uma capacidade fundamental de armazenar e manipular informações por meio de bits individuais, que utilizam estados 0 e 1 binários, computadores quânticos utilizam bits quânticos, também chamados de qubits. Que podem ter qualquer valor de 0 a 1 ou possuir propriedades de ambos os valores simultaneamente. Isso oferece muito mais oportunidades de calcular. 

Os qubits podem ser criados de algumas formas diferentes. O método mais utilizado trabalha com supercondutividade para criar e manter um estado quântico. Porém, para que esses qubits supercondutores estejam disponíveis por longos períodos de tempo, eles devem ser mantidos em baixíssimas temperaturas, pois qualquer calor no sistema pode gerar erros.

Já os cálculos com estes computadores funcionam com algoritmos projetado para encontrar a melhor solução entre diversas opções. Algoritmos como este podem ser usados para simular uma molécula, determinando o menor estado de energia entre vários comprimentos de ligação molecular. Para cada comprimento de ligação, partes do estado de energia são representadas em um processador quântico. Em seguida, aspectos do estado quântico são medidos e relacionados de volta a uma energia na molécula, para a configuração eletrônica fornecida. Repetir esse processo para diferentes espaçamentos interatômicos leva ao comprimento da ligação com o menor estado de energia, o que representa a configuração molecular de equilíbrio. Algoritmos quânticos funcionam de maneira probabilística.

O computador quântico ajudaria a simular sistemas reais, como sistemas químicos, o que poderia auxiliar a desenvolver pesquisas sobre novos medicamentos, por exemplo, ou ainda construir estruturas moleculares. Outra grande aposta tem a ver com métodos de aprendizado de máquina para diagnosticar doenças cada vez mais cedo, compreender melhor a natureza e, até mesmo, prever de forma mais precisa as mudanças climáticas globais, algo muito complexo para nossos computadores atuais lidarem.

No entanto, ainda é impossível prever totalmente a capacidade desses computadores e somente com seu desenvolvimento pleno vamos compreender todas as suas funcionalidades. Até as empresas desenvolvedoras da tecnologia não sabem a extensão das aplicações possíveis e algumas liberaram seus sistemas para que terceiros possam ser criativos e usem seus computadores quânticos na nuvem. Agora, não pense que em breve você terá um desses em sua mesa de trabalho. Especialistas acreditam que os computadores quânticos não substituirão completamente os computadores comuns e sim um sistema complementar para a computação clássica. 

Como a tecnologia pode afetar os negócios

Muitas mudanças devem ser causadas por essas novas máquinas: os computadores quânticos já estão reinventando aspectos da segurança cibernética por meio de sua capacidade de quebrar códigos e criptografar comunicações eletrônicas. Os investimentos de gigantes da tecnologia são sinais de que a próxima corrida da computação está em andamento. Juntamente com os investimentos das empresas, os governos da União Europeia, Estados Unidos, Austrália e China também estão apoiando projetos destinados à construção de computadores quânticos.

Com a redução dos custos dos computadores quânticos, mais setores devem se envolver em seu uso. E à medida que mais participantes se aprofundam no setor, a computação quântica terá aplicações mais amplas. Da saúde à agricultura, múltiplos atores da sociedade podem se beneficiar do potencial dos computadores quânticos. 

Especialistas concordam que, até 2030, poderemos ver computadores quânticos ultrapassando os clássicos. No entanto, algumas barreiras técnicas significativas devem ser superadas antes que a computação quântica atinja seu potencial. Isso exigirá o desenvolvimento de hardware mais estável, plataformas comerciais para desenvolvimento de software e o desenvolvimento de recursos de computação em nuvem para distribuição e acesso a recursos de computação quântica.

A corrida entre dois gigantes 

É claro que as empresas de big tech querem disputar o trono de pioneiras nessa tecnologia promissora – Google e IBM são duas delas. A IBM afirma que adicionará o 14º computador quântico à sua frota em outubro, uma máquina de 53 qubits que, segundo a empresa, é o maior sistema quântico universal disponibilizado para acesso externo no setor até hoje. A IBM ainda anunciou a abertura do primeiro IBM Quantum Computation Center em Poughkeepsie, NY, elevando para dez o número de sistemas de computação quântica disponíveis on-line por meio da plataforma IBM Q Experience, com quatro sistemas adicionais programados para entrar em operação no próximo mês.

A Big Blue adotou uma abordagem aberta e comunitária para o desenvolvimento da computação quântica, em 2016 foi construída uma nuvem onde foi colocado o protótipo da máquina IBM Q de experiência de 5qubit. A nuvem foi disponibilidade para o mundo aprender, usar e explorar suas potencialidades e fez sucesso: já são mais de 150 mil usuários registrados e quase 80 clientes comerciais, instituições acadêmicas e laboratórios de pesquisa.  

A vantagem competitiva talvez esteja com o Google 

Ao mesmo tempo, os cientistas do Google publicaram e rapidamente retiraram um artigo de pesquisa em um site da NASA, nele a empresa afirmava ter atingido um marco importante chamado "supremacia quântica". A supremacia quântica, basicamente, significa que pode-se resolver problemas que mesmo os supercomputadores convencionais mais poderosos não conseguem. Segundo o Financial Times, o relatório afirmava que o chip quântico de 72 bits do Google realizou um cálculo em pouco mais de 3 minutos que levaria 10.000 anos no IBM's Summit, o computador comercial mais poderoso do mundo. O post foi retirado do ar e desde então a empresa se recusa a discutir o assunto. 

Mesmo se o Google tiver atingido o marco, é bem provável que os computadores quânticos capazes de realizar tarefas práticas ainda estejam a anos de distância. A empresa disse anteriormente que esperava alcançar a supremacia quântica até o final de 2017, porém o sistema de 72 qubit desenvolvido revelou-se muito difícil de controlar. Depois disso, desenvolveu um design de 53 bits chamado Sycamore, que teria sido usado para alcançar o avanço recente.

O artigo foi contestado pelo chefe de pesquisa da IBM, que disse que a alegação do Google de ter alcançado a supremacia quântica é "simplesmente errada". O especialista disse que o sistema do Google é uma peça especializada de hardware projetada para resolver um único problema, e está aquém de ser um computador de uso geral, diferentemente do trabalho da IBM. 

Diversas startups apostam na computação quântica

Existem muitas outras empresas empenhadas em desenvolver computadores quânticos e fazer a tecnologia chegar mais longe. A Rigetti Computing, por exemplo, trabalha com computadores quânticos por acesso a uma nuvem única. A Rigetti tem como vantagem ser uma startup totalmente dedicada à computação quântica, diferentemente de empresas maiores que têm outros negócios em andamento ao mesmo tempo. 

A D-Wave Systems Inc, uma das primeiras empresas a entrar no mercado, em 1999, anunciou neste mês seu sistema quântico de próxima geração que será nomeado Advantage™, que estará disponível no serviço de nuvem quântica Leap™ em meados de 2020. Projetado para acelerar o desenvolvimento de aplicativos quânticos comerciais, o Advantage alimentará uma nova plataforma de hardware e software que deve acelerar e facilitar o fornecimento de aplicativos de computação quântica. Desde fevereiro de 2019, a D-Wave lançou inovações de hardware e software, incluindo acesso através do Leap a um processador D-Wave 2000Q™ e à plataforma de fluxo de trabalho de código aberto Hybrid™.

A 1QBit  atua nas áreas de otimização, simulação e aprendizado de máquina buscando os pontos fortes exclusivos de cada tipo de arquitetura de computação quântica e identifica problemas dentro do setor que são adequados para se beneficiar dessas novas abordagens de processamento. A empresa atua sobre uma plataforma independente de hardware, para que os aplicativos melhorem juntamente com os avanços nas arquiteturas de computação clássica e quântica.

Chegando mais próximos… através computação em nuvem

Fisicamente, um computador quântico ainda não é acessível, afinal possui uma estrutura complexa, é caro e depende de muitas variáveis para um bom funcionamento. Ainda assim, existe a possibilidade de democratização por meio do sistema de nuvem, que pode ser acessado de qualquer lugar. A Sigma-i e a D-Wave lançaram o maior contrato de acesso à nuvem quântico de todos os tempos com serviços de consultoria quântica e acesso à família de sistemas D-Wave 2000Q™ por meio do serviço de nuvem quântica da D-Wave, Leap™, a empresas, universidades e laboratórios de pesquisa em todo o Japão.

Os serviços da Sigma-i incorporarão boas práticas e metodologias de desenvolvimento de aplicativos, acelerando tecnologias quânticas focadas em aplicativos de fabricação. A parceria permitirá a criação de aplicativos quânticos voltados à aplicações comerciais, bem como publicações, pesquisa e desenvolvimento.

A chave para os computadores quânticos pode ser tratá-los como legos

É bem provável que você esteja olhando essas imagens de computadores quânticos e pensando que parecem máquinas da década de 60. E parecem mesmo. Para que as forças da mecânica quântica consigam processar dados, elas precisam de refrigeradores de alta potência, lasers precisos, engrenagens, cabos e outros tipos de equipamentos avançados que tomam uma sala inteira. Isso não é, no entanto, replicável de forma barata e confiável e mesmo mudanças de temperatura e vibrações podem fazer com que os qubits percam seu estado quântico. 

A forma mais comum de construir computadores quânticos é a de colocar o máximo de qubits possíveis em um único chip. Porém uma startup chamada Quantum Circuits está trabalhando em mini devices de quantum para criar computadores que serão mais fáceis de produzir em grande escala. A maneira como a empresa enfrenta o problema é enxergar os computadores quânticos como legos: construindo pequenas máquinas que podem ser conectadas, o que causaria menos erros e menor necessidade de hardware de suporte. Por enquanto, a empresa ainda não apresentou uma máquina em funcionamento, mas se ela conseguir, isso tem potencial para uma mudança de paradigma no universo da computação quântica. 

Os computadores quânticos ainda têm um caminho longo a percorrer, pois além de ser uma tecnologia nascente com desafios de escala e estabilização em todos os seus componentes e também com relação aos aspectos técnico-comerciais, são naturalmente muito mais complexos do que os computadores clássicos. Mas, todas as tecnologias a que temos acesso hoje um dia já se pareceram com ficção científica. Quem imaginaria há poucos anos que nossos celulares e relógios teriam as capacidades que apresentam agora? 

Muitas pessoas estão decididas a trazê-los à nossa realidade, pesquisando, testando e desenvolvendo soluções – seja nas mãos das gigantes de big tech ou de startups em pequena escala. Em breve eles passarão a ter uma importância grande, principalmente diante dos desafios cada vez maiores que encaramos como uma sociedade global.