Computadores quânticos: entenda o que são e como funcionam

quancor topo28/04/2018 - Sempre que uma nova tecnologia é anunciada, surge uma série de discussões sobre os impactos que ela causará na sociedade. E, por mais que a transformação digital pela qual estamos passando seja algo gigantesco, há muito tempo o mundo não vê algo tão revolucionário quanto os computadores quânticos. A capacidade desses novos equipamentos é assombrosa. O mais interessante é que eles devem estar disponíveis para as empresas em pouco tempo. Ainda assim, é natural que surjam algumas dúvidas sobre como funcionam. Pensando nisso, falaremos aqui sobre os computadores quânticos, seu funcionamento e o que as empresas podem esperar deles. Confira!

Uma breve história dos computadores

É quase impossível imaginar nossas vidas hoje sem os computadores e demais dispositivos eletrônicos, como smartphones, tablets e mini desktops. Entretanto, se olharmos o panorama histórico, estamos falando de uma tecnologia extremamente recente. Há menos de 100 anos, em 1943, a IBM entregava à Marinha dos Estados Unidos o Harvard Mark I, uma máquina eletromecânica de cinco toneladas, que funcionava como uma espécie de calculadora. Passando por diversos modelos eletromecânicos, a computação deu um grande pulo em seu desenvolvimento: a invenção do transistor. Esse componente eletrônico — por vezes visto como algo tão simples — deu início a uma aceleração exponencial na evolução tecnológica em nosso planeta. Com ele, foi possível desenvolver os primeiros processadores digitais, substituindo o uso de válvulas analógicas.

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A computação, então, passou a ter como base o cálculo binário. Grosso modo, isso significa que o processador pode fazer uma varredura de um sinal, identificando seus valores como 1 ou 0. Esses valores constituem informações armazenadas e, como unidades mínimas desse sistema, foram nomeadas de bits.

A lei de Moore

Ainda no ano de 1965, o engenheiro americano descreveu um evento empírico que ficou conhecido como a lei de Moore. De acordo com ela, pelo mesmo valor investido, a capacidade de processamento dos computadores dobraria em intervalos de aproximadamente dois anos. Hoje, todo profissional da Computação — ou mesmo entusiasta da tecnologia — conhece a lei de Moore. Nas últimas quatro décadas, o crescimento exponencial dos processadores só foi acompanhado pela redução do tamanho dos hardwares. Na prática, isso possibilitou a revolução tecnológica que estamos presenciando.

Na década de 1960, um dos melhores processadores poderia ter até 10 mil transistores — e, consequentemente, 10 mil bits. Hoje, esse número passa dos bilhões na maioria dos processadores de última geração! No entanto, o avanço dos estudos com os computadores quânticos tende a transformar até mesmo os supercomputadores em ferramentas obsoletas.

A ascensão dos computadores quânticos

A base para o surgimento dos computadores quânticos está na mudança de um conceito básico com o qual os equipamentos atuais trabalham. Quando falamos de transistores, estamos lidando com um dado (bit) armazenado em um de dois possíveis estados: 0 ou 1. No caso da nova tecnologia, são processados os chamados “bits quânticos”, ou qubits.

A propriedade quântica da sobreposição

Ao contrário dos bits de transistores convencionais, os qubits são capazes de armazenar três possíveis informações. Assim, além de 0 ou 1, o qubit pode ser também 0 e 1 ao mesmo tempo. Grosso modo, a nível atômico, a identificação da posição de um elétron em relação ao núcleo também pode ser incerta. Essa terceira possibilidade faz com que, no nível mais básico de um processador, a capacidade de armazenamento seja significativamente maior. E não estamos falando de um aumento de duas ou dez vezes — em segundos, os computadores quânticos são capazes de fazer cálculos que os convencionais levariam milhares de anos. O próprio tamanho da estrutura também impacta diretamente o comportamento dessa nova tecnologia. Para se ter uma ideia, 30 qubits são capazes de armazenar o equivalente a 1 TB (Tera Bit).

Os avanços nas últimas décadas

Os estudos com processamento quântico datam da década de 80, ainda que se mantivessem em propostas teóricas. Na década de 90, o matemático Peter Shor, enquanto trabalhava na AT&T, criou um programa puramente quântico — o primeiro da história. Basicamente, ele permitia ao computador quântico fatorar números gigantescos em segundos, algo que um computador tradicional levaria meses para fazer. Os primeiros protótipos de computador quântico surgiram entre 1999 e 2000, no MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts). Já em 2007, a empresa canadense D-Wave anunciou a construção do primeiro processador quântico do mundo, que foi batizado de Orion, com capacidade de processamento de 16 qubits.

Entretanto, a comunidade científica olhou com desconfiança para o anúncio, já que nunca obteve informações muito detalhadas sobre o equipamento. Logo, IBM e Google se adiantaram no desenvolvimento daqueles que são, atualmente, os mais proeminentes computadores quânticos.

O cenário atual e as previsões para o futuro próximo

Em novembro de 2017, a IBM marcou a história ao anunciar seu sucesso no desenvolvimento de um computador quântico de 50 qubits. Em janeiro de 2018, foi a vez da Intel anunciar seu processador quântico com capacidade de 49 qubits, mostrando que deve entrar forte no mercado em ascensão. Entretanto, já em março, o Google anunciou o Dubbed Britlecone, seu próprio computador quântico de nada mais nada menos que 72 qubits! O alvoroço causado na comunidade internacional tanto por parte de pesquisadores quanto de empresas de tecnologia é justificado.

Os rápidos avanços de diversos estudos — puxados pelo Google e IBM, mas seguidos de perto por Intel, Microsoft e outros desenvolvedores — mostram que a entrada em cena dos computadores quânticos está próxima. Alguns teóricos especulam que, por exemplo, um processador de 100 qubits seria mais poderoso do que a soma de todos os computadores atuais no planeta. Há ainda alguns desafios para colocar esses sistemas em prática. Porém, é preciso compreender o real significado de algo dessa magnitude. Afinal, não estamos falando de um equipamento que dependeria de produção em larga escala para impactar diretamente o mercado mundial.

Com um único computador quântico conectado à nuvem, por exemplo, essas empresas poderiam abrigar espaços gigantescos para o desenvolvimento de aplicações e novos sistemas. A capacidade de processamento torna possível que essa corrida tecnológica cause, por exemplo, uma grande migração para serviços de SaaS e PaaS. Ainda assim, até o momento, nenhuma empresa propôs formalmente a entrada de seus computadores quânticos no mercado. Como dissemos, ainda há desafios a serem superados e o trabalho está sendo feito. A perspectiva é que os computadores quânticos entrem no mercado não para substituir completamente, mas para integrar os PCs tradicionais em um sistema mais poderoso.

Até 2017, a previsão era de que eles entrassem em funcionamento em algum momento por volta de 2020. Alguns avanços têm ocorrido com mais velocidade do que o esperado, superando as expectativas. Entretanto, é preciso considerar que, inicialmente, o uso depende de diversos testes e deve começar em ambientes específicos — como em laboratórios de pesquisa. Como você pode ver, os computadores quânticos devem levar a tecnologia a um patamar jamais imaginado. Fique atento às novidades e não deixe de avaliar os benefícios que eles podem trazer para sua empresa!

 

Com novos avanços da Microsoft, a computação quântica de propósito geral se aproxima da realidade

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28/09/2017 - Quando Michael Freedman se juntou ao grupo de pesquisa teórica da Microsoft há duas décadas, ele era um renomado gênio matemático conhecido por sua pesquisa em um campo obscuro da matemática, chamado topologia. Seu trabalho – que ele não considerava como um trabalho real – era simplesmente continuar fazendo matemática, sem restrições. Esse trabalho acabou colocando a Microsoft no caminho da construção do primeiro qubit topológico, um tipo robusto de bit quântico que a empresa acredita que servirá de base para um sistema computacional quântico escalável e de propósito geral – e marcar um avanço profundo no campo da física quântica.

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“Estamos vendo a base potencial para uma tecnologia nova e revolucionária”, disse Todd Holmdahl, vice-presidente corporativo da Microsoft, responsável pelos esforços na área quântica. “Eu tenho arrepios”. Na segunda-feira, durante a conferência Microsoft Ignite, a empresa apresentou o progresso feito no desenvolvimento de um qubit topológico e do ecossistema de hardware e software que, eventualmente, permitirá que um grande número de desenvolvedores aproveite o poder da computação quântica. Esse progresso inclui uma nova linguagem de programação, que está profundamente integrada com o Visual Studio e projetada para trabalhar tanto em um simulador quanto em um computador quântico.

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O plano da Microsoft para construir um ecossistema de computação quântica tem base no campo da matemática de Freedman e em um ramo da física aparentemente tão místico que seus primeiros pioneiros pediram ajuda à filosofia e à espiritualidade para descrevê-lo. Seus discípulos mais tarde conseguiram um financiamento e apoio de gurus da autoajuda na década de 1970. Ainda hoje, os especialistas usam termos como “estado mágico” para descrever alguns elementos da teoria e da prática da computação quântica.

Embora existam comparações místicas, os especialistas acreditam que a computação quântica terá inúmeros benefícios práticos. Um deles seria permitir que cientistas façam cálculos em minutos ou horas, o que levaria toda a vida do universo nos computadores clássicos mais avançados que usamos hoje. Por sua vez, isso significaria que as pessoas poderiam encontrar respostas para questões científicas anteriormente consideradas sem solução. Os pesquisadores dizem que a computação quântica pode ser usada para resolver alguns dos problemas mais difíceis do mundo, desde a fome até os efeitos desastrosos das mudanças climáticas.

“Um computador quântico é capaz de modelar a natureza”, disse Krysta Svore, que liderou o desenvolvimento do software Microsoft projetado para funcionar em computadores quânticos, bem como os simuladores quânticos que permitem que o desenvolvimento prossiga mesmo quando as primeiras máquinas estão sendo construídas. “Com computadores clássicos, não conseguimos entender realmente esses processos”.

Em um dos seus primeiros usos, os especialistas acreditam que um computador quântico topológico ajudará os pesquisadores de inteligência artificial a acelerar o processo de treinamento de algoritmos usando o aprendizado de máquina. Craig Mundie, que, como chefe responsável pela pesquisa e estratégia da Microsoft, apoiou a iniciativa de Freedman na computação quântica há 12 anos atrás, observou que, se um computador quântico puder processar um treinamento de algoritmo para a assistente digital Cortana em um dia, em vez de um mês, já seria uma melhoria profunda nos avanços de Inteligência Artificial (IA).

“Mesmo que o resto continuasse da mesma maneira, a Cortana melhoraria 30 vezes mais rápido”, disse Mundie, que continuou envolvido no projeto. Para Freedman, ver o trabalho em matemática teórica de toda vida transformar-se em uma plataforma de computação real, que pode resolver problemas considerados sem solução, é “muito intenso”. Depois de passar a maior parte de sua carreira explorando matemática teórica sem nenhuma restrição, talvez seja irônico que os nós – ou, mais especificamente, a teoria dos nós da topologia – seja parte do que o conduziu ao que ele chama carinhosamente de primeiro trabalho real de sua vida, construindo um qubit topológico.

Freedman diz que gasta pouco tempo pensando nos efeitos que o seu trabalho pode ter na vida das pessoas.

“Perguntaram sobre as aplicações da computação quântica – o que te motiva? Você quer curar doenças, criar novos materiais, proteger o meio ambiente? “, disse ele. “A verdade é que não é nada isso. Neste ponto do projeto, a única coisa que me interessa é fazer o computador quântico funcionar”.

Da teoria à prática

Parte do desafio de Freedman é que a Microsoft não está apenas interessada em construir um computador quântico que possa ser exibido em um laboratório em algum lugar. Em vez disso, a empresa está embarcando em um plano para entregar um sistema de computação quântica topológico completo. Isso inclui desde o hardware capaz de executar cálculos que exigem dezenas de milhares de qubits lógicos até uma pilha de software completa que possa programar e controlar o computador quântico.

“Estamos fazendo tudo”, disse Holmdahl, “da física ao plano de controle, o software executado no computador, os algoritmos necessários para fazer coisas interessantes como química quântica, aplicações de medicina personalizada ou ajuda com a mudança climática”.

A Microsoft já teve um projeto de pesquisa complementar focado em criptografia e segurança em um mundo pós-quântico e participou de esforços da indústria para preparar algoritmos criptográficos quânticos.

A peça central dos esforços da Microsoft é o qubit topológico.

Há doze anos, quando Freedman entrou em contato com Mundie procurando apoio para sua ideia de computação quântica, Mundie disse que a computação quântica estava inativa. Embora os físicos estivessem falando sobre a possibilidade de construir computadores quânticos por anos, eles estavam tendo problemas para criar um qubit com fidelidade alta para ser útil na construção de um computador.

Para pesquisadores que usam qubits físicos com apenas o mínimo de fidelidade, requer aproximadamente 10 mil deles para fazer um qubit “lógico” – que é um qubit confiável o suficiente para qualquer computação útil.

O problema é que os qubits são extremamente finos. Se você os interrompe mesmo que da menor forma possível, eles entram no processo de descodificação, o que, basicamente, significa que eles deixam o estado físico no qual podem ser usados para computação.

Freedman estava explorando a ideia de que os qubits topológicos seriam mais robustos porque suas propriedades topológicas os tornariam mais estáveis e proporcionariam mais proteção contra erros inatos. Isso porque, por definição, um estado topológico de matéria é aquele em que um elétron pode ser fracionado e aparecer em diferentes lugares dentro de um sistema.

Uma vez que o elétron está dividido, é mais difícil que seja perturbado porque você precisa alterar todos os lugares diferentes em que as informações estão sendo armazenadas.

Como designer e engenheiro de software de supercomputadores por muito tempo, Mundie disse que comprou instantaneamente a ideia de um bit quântico que fosse mais robusto e tivesse tolerância a falhas incluídas. Isso tornaria a tarefa de projetar uma máquina escalável e útil mais gerenciável.

“A própria computação já estava transformando todos os setores da sociedade e da economia”, afirmou. “Eu percebi que se você pudesse criar uma nova classe de computação que fosse capaz de alterar esses blocos de construção fundamentais, você poderá fazer de novo o que a computação fez nos últimos 50 ou 60 anos”.

O full stack

Com o apoio de Mundie, Freedman criou um laboratório em Santa Bárbara, Califórnia, e começou a recrutar alguns dos melhores físicos teóricos e de matéria condensada, cientistas de materiais, matemáticos e cientistas da computação do mundo, para trabalhar na construção do qubit topológico. Essa equipe agora possui muitos especialistas quânticos que se juntaram à Microsoft como funcionários no ano passado, incluindo Leo Kouwenhoven, Charles Marcus, David Reilly e Matthias Troyer.

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Para criar a infraestrutura de uma plataforma de computação completa, a Microsoft trabalhou simultaneamente na construção de hardware, software e linguagens de programação para a computação quântica topológica. Na segunda-feira, durante o Ignite, a Microsoft anunciou o último marco em seu esforço para construir um full stack: uma nova linguagem de programação projetada para que desenvolvedores criem aplicativos para depurar em simuladores quânticos hoje e executar em um computador quântico topológico real no futuro.

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“O mesmo código que você está executando hoje na simulação, você pode executar amanhã em nosso computador quântico”, afirmou Svore. Svore disse que as novas ferramentas são projetadas para desenvolvedores que estão interessados em estar na frente dos avanços da computação – o mesmo tipo de pessoas que logo adotaram aprendizado de máquinas e outros avanços de inteligência artificial. Você não precisa ser um físico quântico para usá-las. A nova linguagem de programação é integrada no Visual Studio, e inclui os tipos de ferramentas que os desenvolvedores confiam para a computação clássica, como depuração e autocomplete.

“Não deveria parecer muito diferente do que eles já estão fazendo”, comentou Svore.

O sistema, que estará disponível como uma prévia gratuita até o final do ano, também inclui bibliotecas e tutoriais para que os desenvolvedores possam se familiarizar com a computação quântica. É projetado para trabalhar em um nível de abstração mais alto, de modo que os desenvolvedores sem conhecimentos quânticos realmente possam chamar sub-rotinas quânticas ou escrever sequências de instruções de programação, trabalhando para escrever um programa quântico completo. Os desenvolvedores podem se inscrever para participar hoje.

O sistema é projetado para que os usuários individuais possam simular problemas que exigem até 30 qubits lógicos de energia em seus próprios computadores pessoais e selecionando clientes corporativos, usando o Azure, podem simular mais de 40 qubits de potência computacional. Na computação quântica, o poder cresce exponencialmente com o número de qubits lógicos. Um qubit lógico é o qubit no nível do algoritmo. Com esse nível de hardware, cada qubit lógico é representado no hardware por uma série de qubits físicos para permitir a proteção da informação lógica. A abordagem da Microsoft leva menos qubits topológicos para desenvolver um qubit lógico, tornando muito mais fácil para escalar.

Svore afirmou que uma das principais vantagens de ter uma linguagem de programação que funciona em um ambiente de simulação é que ajudará as pessoas interessadas em usar computadores quânticos para resolver problemas e ter uma melhor percepção de como aproveitar a energia quântica para diferentes tipos de problemas. Isso acelerará sua capacidade de aproveitar a computação quântica quando estiver disponível.

O lugar mais frio da Terra

Mesmo que um qubit topológico seja mais robusto do que um qubit regular, ele ainda é muito frágil. A única maneira de protegê-lo de interferências externas que podem causar a descodificação é criá-lo e operá-lo em um lugar muito frio. Douglas Carmean, um arquiteto na divisão de computação quântica da Microsoft, lidera o grupo que está trabalhando em uma arquitetura de sistema em que os qubits funcionam apenas um pouco acima do zero absoluto ou -273,127°C – o lugar mais frio da Terra, mais frio que o espaço profundo – enquanto ainda é capaz de comunicar com pessoas e outros computadores que trabalham à temperatura ambiente.

Esse é o tipo de avanço que um pesquisador pode tentar fazer em um ambiente de laboratório perfeito com um qubit. Mas Carmean quer criar sistemas que os programadores possam finalmente usar para calcular em centenas de milhares de qubits lógicos, ou mais.

“Meu trabalho é, basicamente, levar algo que os teóricos e os experimentalistas mostraram uma vez e, em seguida, criar milhões deles em um fator de forma que é útil”, disse ele.

O fim do começo da longa jornada

Os especialistas em computação quântica muitas vezes observam duas coisas: um dos melhores usos que eles veem para um qubit topológico é desenvolver melhores tecnologias de computação quântica e que um dos maiores prazeres desse tipo de trabalho é que você não pode prever quais avanços serão produzidos.

Quando Mundie apoiou o esforço de pesquisa de Freedman pela primeira vez, há 12 anos, foi porque ele podia enxergar o ponto que chegamos, no qual a teoria quântica levaria à engenharia.

Mais de 50 anos depois do pioneirismo de Richard Feynman na ideia de computação quântica, Mundie agora está olhando para a economia quântica, que ele acredita ser o o produto que esse novo tipo de computação criará. Assim como a computação clássica mudou praticamente todos os aspectos da sociedade, ele acha que a computação quântica acabará ajudando a impulsionar mudanças revolucionárias em quase tudo, começando pela química, materiais e aprendizado de máquina.

“Pela primeira vez em 70 anos, estamos buscando uma maneira de construir um sistema de computação completamente diferente”, afirmou. “Não é uma melhoria ou um avanço incremental. É algo qualitativamente diferente”.

 

Fonte: https://www.meupositivo.com.br
           https://news.microsoft.com

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