13 de janeiro de 2010

Computação Quântica

Computação Quântica.
(Conrado Brocco Tramontini)

Em 1959, o Físico Richard Feynman apresentou em sua palestra para a Sociedade Americana de Física a idéia de que seria possível escrever todo o conteúdo da Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete reduzindo o tamanho das letras a até alguns átomos, tendo ainda resolução suficiente para que um equipamento pudesse ler o texto. Feynman, que além de ser um conceituado físico, tinha uma visão e um senso de humor extremamente amplo, foi mais a fundo e mencionou também a possibilidade de construir-se máquinas nessas dimensões, como um veículo montado com poucos átomos, que até poderia ser dirigido por um ácaro, mesmo sem ver muita utilidade em um ácaro sair dirigindo por aí. Esse foi o berço da nanotecnologia (ou nanociência), que estuda o manuseio e construção de materiais e equipamentos a partir da menor parte da matéria, os átomos. Uma das vertentes da nanotecnologia é a computação quântica (CQ), que consiste no processamento de dados representados não por circuitos elétricos, mas por partículas quânticas em seus estados quânticos.

Antes de olharmos para a CQ, é necessário que observemos um pouco dos princípios da mecânica quântica, que é a base de diversos ramos da física, como o eletromagnetismo e a cosmologia, também é essencial para a teoria das ligações químicas e para toda a química, e para tecnologias como a eletrônica e a própria nanotecnologia.

A mecânica quântica - quântica vem do Latim "quantum", que significa "quantidade", sobre a quantidade de energia atribuída - começou no início do século 20, com o trabalho pioneiro de Max Planck e Niels Bohr. Seus conceitos são tão incomuns que o próprio Einstein não aceitou sua teoria como completa, e Niels Bohr o advertiu, em 1927, que "qualquer um que não se chocar com a teoria quântica não a compreende".

Na mecânica quântica, o estado de um sistema físico é definido pelo conjunto de todas as informações que podem ser extraídas desse sistema ao se efetuar alguma medida. É exatamente isso que você entendeu. O estado de um sistema físico "é" todos os estados. Portanto, dados dois estados quaisquer, a soma algébrica deles também é um estado. Esse fenômeno é chamado por "superposição", e é um dos fenômenos que torna a CQ tão interessante.

O experimento mental conhecido como "o gato de Schröndinger", demonstra a estranha natureza das superposições quânticas. No experimento, um gato está preso a uma caixa, com um frasco de veneno que pode ser liberado caso ocorra uma reação em uma partícula quântica. O gato tem 50% de chance de estar vivo e 50% de chance de não estar. Para a mecânica quântica, entende-se que devido a superposição de estados da partícula, o gato está vivo e morto ao mesmo tempo.
Para livrar o bichano desse desespero precisamos saber o que aconteceu com a partícula, e para isso precisamos abrir a caixa e espiar. Nesse momento ocorre outro fenômeno, o Princípio da incerteza de Heisenberg, segundo o qual a partícula somente assume em um único estado quando se faz uma medição sobre ela. Heisenberg diz que não podemos determinar com precisão e simultaneamente a posição e o momento de uma partícula, ou seja, um estado de um sistema físico só é definido quando se realiza uma medição sobre algum valor dele. Até que isso ocorra, os estados ficam superpostos. Bom, Bohr nos avisou que "qualquer um que não se chocar com a teoria quântica não a compreende". Se você está chocado, significa que estamos no caminho certo.

E o que um gato zumbi tem a ver com CQ? A verdade é que o gato nada, mas a mecânica quântica tem muito a ver. Um computador clássico utiliza pulsos elétricos para representar seus bits – que são sujeitos as leis da física clássica - e possuem somente 2 valores: 0 ou 1. A CQ utiliza partículas quânticas para representar seus bits - que são chamados por qubits e podem ser representados por átomos que podem estar excitados e não excitados ao mesmo tempo, ou com fótons que podem estar em dois lugares ao mesmo tempo, ou com prótons e nêutrons ou elétrons e pósitrons que podem ter um spin ao mesmo tempo "para cima" e "para baixo", se movimentando em velocidades próximas à da luz. Enquanto o computador atual precisa ser cada vez maior, uma molécula microscópica pode conter muitos milhares de prótons e nêutrons que podem ser usados como computador quântico com muitos milhares de qubits e já foram publicados artigos em revistas científicas apresentando protótipos de dispositivos que implementam os qubits, em arquiteturas diversas, como o chip da empresa D-Wave, alvo ainda de dúvidas e que está sendo usado e apoiado pela Google.

Beneficiada pelos dos fenômenos quânticos a CQ gera processamentos exponencialmente mais velozes, principalmente para algoritmos de cálculos numéricos como faturação de números usadas em um importante algoritmo, conhecido como algoritmo de Shor - testado em um processador quântico, pela IBM em 2001 - ou na a busca de imagens anunciada recentemente pela Google e o chip da D-Wave, que por usar superposição de bits é mais rápido do que os computadores binários. É como se você pudesse procurar suas meias em todas as gavetas, de uma vez só. Outra aplicação é a criptografia quântica que usa dois qubits emaranhados. Imagina que um servidor emaranha o qubit B ao qubit A, e os envia parte para as máquina A os qubits A e para a máquina B os qubits B. O que a máquina A escreve em seus qubits é replicado para os qubits da máquina B, através de um fenômeno chamado telepatia quântica, sem que ocorra o transporte de informações, sem nenhum meio ou contato físico e consequentemente sem poder ser interceptado. Parece impossível se pensarmos na física clássica, mas a própria IBM já testou essa aplicação, com sucesso.

Quanto ao chip da D-Wave, os questionamentos quanto a sua veracidade são feitos por cientistas e físicos que suspeitam que o chip não é uma implementação real de um processador quântico, mas sim uma simulação através de um computador binário, isso devido a dificuldade de se controlar este sistema, que é passível ainda de interferências e do pequeno tempos sob os quais tem sido possível controlar o estado de tais partículas.Ainda sim, existe um consenso que desenvolvimento dessa tecnologia tem se apresentado bem mais rápido do que o previsto inicialmente.
Postar um comentário