Computação Quântica

Jefferson Royer Chaurais e Leonardo Marques Nunes de Mattos – Centro Educacional Leonardo da Vinci

Introdução

Antigamente, acreditava-se que todos os problemas da natureza seriam resolvidos utilizando-se os conceitos da Física Clássica. Porém, isso não é verdade, devido ao fato de que posteriormente foi comprovado que corpos com massas muito pequenas ou muito grandes, a velocidades próximas à da luz não obedeciam às leis dessa física.

Na tentativa de resolvê-los, foram criadas, então, a Teoria da Relatividade e a Mecânica Quântica, essa última, para explicar os fenômenos em corpos de massas referentes a átomos.

A computação clássica é totalmente baseada nos conceitos da Física Clássica, logo, herda dessa todas as suas limitações. Com o avanço dos dispositivos eletrônicos, componentes dos computadores atuais, e com o nível cada vez maior de miniaturização esses limites estão cada vez mais próximos. Para lidar com esse novo paradigma, foi aplicada à computação as leis da Mecânica Quântica, oferecendo um novo horizonte computacional denominado Computação Quântica.

Computação Clássica e suas barreiras

O computador clássico funciona de acordo com um modelo computacional abstrato criado por Alan Mathison Turing (matemático e lógico inglês), conhecido, simplesmente, por Máquina de Turing. Essa utiliza-se do sistema binário para realizar operações com sequências de informações lógicas conhecidas por bits. Cada bit pode assumir apenas um valor, “0” ou “1”.

A capacidade de processamento de um computador dá-se pela possibilidade de representação de um bit por uma certa quantidade átomos. Logo, diminuindo-se o número desses, para representar um bit, obtem-se um maior poder computacional, pois mais dados poderão ser computados simultaneamente.

Com a nescessidade de computadores mais velozes e eficientes, diminui-se, vertiginosamente, a quantidade de átomos que compõem cada bit.

De acordo com Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, com a atual progressão de redução de atomos por bit, a perspectiva de que cada um desse ocupe apenas um átomo, acontecerá em 2020, como mostra o gráfico acima. Quando isso acontecer, não será possível o aumento da capacidade dos computadores pela redução do número de átomos por bit, pois será fisicamente impossível. No momento em que isso acontecer, a Física Clássica não será mais aplicável a esse modelo, devido às dimensões atômicas do bit, que são descritas corretamente pela Mecânica Quântica.

Computação Quântica

Na Computação Quântica, é utilizado um novo conceito, os “Quantum-bits” ou “qubits”, os quais, diferentemente dos bits tradicionais, que podem assumir apenas um estado analógico (0 ou 1), podem assumir estados analógicos simultâneos, devido ao fenômeno da superposição de estados quânticos, logo pode-se obter 0 e 1 ao mesmo tempo. A superposição de estados surge do fato que na Física Quântica o tratamento de eventos é realizado através de regiões de probabilidade.

Para ilustrar essa propriedade pode-se imaginar uma disputa de cara e coroa. No mundo clássico, sabemos que o resultado será cara ou coroa, excludentemente. Se o mesmo jogo fosse realizado num sistema quântico, a moeda poderia assumir o estado cara-coroa, ao mesmo tempo e não excludentemente. É como se a moeda caísse com os dois lados para cima! Assim, na computação quântica é possível sobrepor dois estados que no mundo clássico são excludentes.

Com esse fenômeno podemos obter mais estados analógicos por átomos, sendo assim, com uma certa quantidade de qubits, obtemos mais dados do que com a mesma quantidade de bits. A relação exponencial também aparece no processamento, uma vez que este processo consiste em operar com números binários.

Algoritmo de Shor

O cientista americando Peter Shor criou um algoritmo quântico para fatorar números muito grandes.

Comparando o tamanho de números e seus respectivos tempos para fatoração pelos algoritimos Clássicos x Quânticos, chegamos ao seguinte paralelismo:

Conclusão

O computador Clássico é bastante razoável para tarefas do dia-a-dia, nas quais não são necessárias grande poder de processamento, porém, quando o volume de dados e operações simultâneas é muito elevado, esse não é indicado devido ao tempo para a resolução dos problemas ser absurdo, logo, inaceitável.

Com o processo utilizado pelo computador quântico, vários problemas da matemática puderam ser resolvidos. A fatoração dos números é um desses, como discutido anteriormente. A fatoração de números representa o núcleo da criptografia, sendo assim, com a computação quântica será possível criar códigos indecifráveis.

Ao contrário do Computador Clássico, o Quântico resolve problemas muito grandes em tempo hábil. Sendo assim, sua aplicação provavelmente será destinada, ao menos em curto prazo, assim que for conluído o Computador Quântico, à problemas computacionais destinados a simulações que exijam uma capacidade de processamento extraordinária, inimaginável às do Computador Clássico.