Desvendando o poder da computação quântica: como ela pode mudar o mundo

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.

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:

1. 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.
2. Pesquise os principais riscos, disrupções e oportunidades em seu setor.
3. 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.
4. 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.
5. 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