Pesquisador do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, Dante Zanuz explica o potencial da computação quântica

27 de Agosto de 2021

Se há uma verdade sobre a tecnologia é que tudo o que conhecemos hoje não está nem perto de tudo o que ainda será desenvolvido. O enorme potencial apresentado pela computação quântica é um exemplo. Enquanto 40 bits de um computador clássico armazenam 40 informações, 40 qubits (ou bits quânticos) conseguem acumular 109.950.533.632. Isso significa que em poucos minutos um computador quântico seria capaz de resolver cálculos que os computadores clássicos mais potentes não conseguiriam em bilhões de anos.

Tal capacidade representa um elemento chave para o desenvolvimento medicamentos complexos e tratamentos personalizados geneticamente, bem como o aumento da eficiência de baterias, células solares, fertilizantes. Além disso, a potência computacional de um sistema quântico permite a resolução de problemas complexos como a fatoração de inteiros e a computação de logaritmos discretos. Na prática, isso se traduz em um altíssimo nível de resistência à criptografia de dados. 

Tendo em vista o potencial que a computação quântica oferece para a humanidade, o Aprix Journal entrevistou Dante Colao Zanuz, pesquisador do Quantum Device Lab no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, na Suíça. Com dupla graduação em Engenharia Física na Universidade do Rio Grande do Sul e Engenharia Generalista na CentraleSupélec, na França, Zanuz pesquisa a ampliação de processadores quânticos como parte do projeto OpenSuperQ, um computador quântico europeu. 

Em entrevista, o pesquisador descreve as principais propriedades e aplicações de um computador quântico e explica o quão próximo este sistema está da nossa realidade. Confira!

 Foto: Microsoft

Aprix Journal - O que é a computação quântica? 

Dante Zanuz - Computação quântica é essencialmente uma generalização da computação convencional. A  diferença é que ao invés de trabalharmos com informação contida em um bit – quer dizer, em 0  ou 1 – na computação quântica nossa unidade de informação é um objeto que tem propriedades  que só podem ser descritas com as leis da mecânica quântica. Isso quer dizer que esse bit  quântico (ou qubit) pode explorar propriedades quânticas como a superposição – como o  famoso gato de Schrödinger, vivo e morto ao mesmo tempo – e também o emaranhamento – com o qual conectamos a informação entre os qubits de forma a quando aprendermos algo sobre um, também ganhamos alguma informação sobre os demais qubits emaranhados. O que  isso implica é que temos mais operações na nossa caixa de ferramentas que podemos usar para  fazer computações. Assim, um computador quântico pode rodar algoritmos diferentes que não  podemos em um computador convencional eficientemente. Esses algoritmos quânticos acabam  sendo muito mais eficientes para alguns problemas, como a fatoração de números compostos (por exemplo, decompor o número 15 em 3 vezes 5) e a simulação de sistemas quânticos.

 

Aprix Journal - Você poderia falar um pouco da sua linha de pesquisa e do trabalho que realiza com  computação quântica? 

Dante Zanuz - Trabalho sobretudo no aspecto experimental da computação quântica, mas  para entender um pouco melhor onde minha pesquisa se situa acho importante falar um  pouco sobre o contexto experimental da computação quântica. 

Apesar de termos conversado de forma bem abstrata sobre o papel de um qubit, experimentalmente há diversos sistemas diferentes – desde spins de núcleos de átomos até  defeitos na estrutura de um diamante – que podem ser excelentes qubits, e cada uma dessas implementações têm limitações e desafios distintos. O que é comum entre todas essas implementações, no entanto, é que elas sofrem com a perda de informação armazenada no qubit, fenômeno que chamamos de decoerência. A decoerência é de certa forma intrínseca a  todos os sistemas, isso porque qualquer interação com o ambiente, seja por meio de colisões  com partículas de ar, com radiação ou vibrações, ameaçam perturbar esse sistema sensitivo que  é o nosso qubit. Então, ao mesmo tempo em que um qubit perfeitamente isolado do ambiente é o ideal de uma perspectiva de coerência. Tal solução não é necessariamente interessante  porque também precisamos ter canais pelos quais conseguimos nos comunicar com esse qubit – tanto para controlá-lo quanto para ler a informação que ele armazena – o que contribui para  a informação no qubit ser dissipada.  

A implementação que utilizamos no nosso grupo, por sua vez, baseia-se em circuitos feitos com  supercondutores, em que uma corrente elétrica oscila bilhões de vezes por segundo. A forma como essa corrente se movimenta é o que usamos para descrever o estado do nosso qubit. Nessa plataforma, a decoerência surge majoritariamente pela presença de pequenos e indesejáveis defeitos nos materiais que utilizamos, que acreditamos poder ser tão  imperceptíveis quanto uma vacância na estrutura cristalina do silício, por exemplo. Defeitos desse estilo introduzem indesejáveis graus de liberdade nos nossos chips que interagem com o  nosso qubit, criando um canal por onde a informação armazenada no qubit possa se perder.  

Minha pesquisa, então, foca em evitar essa decoerência em duas grandes direções. Por um  lado, estudo como mitigar esses canais de decoerência diretamente, para que os qubits  consigam armazenar informação de forma mais robusta. Por outro, estudo como corrigir a  perda de informação quando ela acontece, no que chamamos de correção de erro quântico. Isso é possível porque podemos distribuir a informação de um qubit com redundância entre diversos  qubits, o que nos permite detectar quando algum dos qubits sofre decoerência e assim corrigir  o erro. 

 

Aprix Journal - Quais são os principais agentes ou grupos liderando pesquisas nesta área? 

Dante Zanuz - A computação quântica como conhecemos hoje foi desenvolvida sobretudo em um cenário  acadêmico, mas no decorrer da última década mais e mais empresas têm crescido em notoriedade na comunidade. Hoje em dia grande parte do desenvolvimento na área continua  sendo feito na academia, com grupos de bastante relevância na maior parte das universidades de impacto internacional. 

Já do lado empresarial, grandes empresas têm participado cada vez mais ativamente no  desenvolvimento da área. Podemos citar gigantes como a IBM, Microsoft, Honeywell, Intel e,  claro, Google. Em 2019, o Google demonstrou um marco impressionante na área: a supremacia (ou vantagem) quântica, resolvendo em segundos um problema com um processador quântico de apenas cerca de 50 qubits que se estima levar milhares de anos para resolver com o supercomputador mais potente da atualidade. 

Além disso, é notável também o surgimento de diversas startups com âmbito de desenvolver e  utilizar computadores quânticos. Dois importantes exemplos são Rigetti Computing e IonQ. 

 

Aprix Journal - Quais são as possíveis aplicações da computação quântica? 

Dante Zanuz - O grande carro-chefe da computação quântica hoje em dia é, sem dúvidas, a simulação de sistemas quânticos como moléculas e nano materiais. Talvez isso pareça bastante específico  para quem não é da área, mas mais poder computacional para esse tipo de aplicação significa que poderemos desenvolver mais rápido e mais eficientemente melhores medicamentos,  baterias, células solares, fertilizantes e mais revoluções em inúmeras outras áreas que  dependem de moléculas ou estruturas que atualmente não conseguimos simular  adequadamente. 

Em uma outra direção, a computação quântica ao mesmo tempo em que representa uma  ameaça para a criptografia atual, também introduz alternativas para protocolos de comunicação  muito mais seguros do que os atuais, desde que tenhamos um canal de comunicação no qual também conseguimos transmitir a informação de qubits. Devo dizer, no entanto, que mesmo  sem criptografia quântica, já conhecemos outras formas de realizar criptografia clássica que são bem mais robustas mesmo contra ataques de computadores quânticos. 

Além disso, há uma enorme classe de problemas que englobam por exemplo busca em bases de dados, problemas de otimização e machine learning que também são bastante estudados  hoje em dia. Porém, ainda é incerto se com os algoritmos quânticos que conhecemos hoje em dia um computador quântico seria de fato preferível para resolver tais problemas. 

Entretanto, um dos motivos pelo qual gosto de computação quântica é justamente porque ainda  não sabemos exatamente quais serão suas aplicações. Toda semana há dezenas de trabalhos  publicados apresentando novas facetas, aplicações ou insights de algoritmos quânticos. Porém, de  forma alguma acreditamos estar próximos de esgotar novas ideias na área. Desenhar novos algoritmos quânticos é uma tarefa bastante complicada, parte disso se deve talvez a nossa intuição ser muito mais efetiva no nosso mundo clássico. O que isso quer dizer, no entanto, é que a qualquer momento um novo trabalho, talvez tão revolucionário quanto os de Shor, possa aparecer e alimentar uma direção completamente inexplorada da computação quântica.

 

Aprix Journal - O quão distante ela está de se tornar realidade? 

Dante Zanuz - A computação quântica já é uma realidade. Computadores quânticos não só existem como  também são acessíveis gratuitamente por qualquer pessoa através da internet em plataformas como a IBM Quantum Experience ou Rigetti Forest. Claro, as dimensões dos dispositivos atuais  ainda estão distantes das necessárias para fazer da computação quântica uma ferramenta para  resolver problemas úteis. Parte disso se dá porque computadores convencionais são simplesmente muito bons e têm evoluído com muito investimento há já quase um século. Mas o progresso que estamos tendo com o hardware quântico é sem dúvidas bastante significativo. 

É um pouco difícil estabelecer prazos, mas as grandes empresas estão bastante otimistas  quanto a isso. A IBM, por exemplo, publicou seus objetivos para os  próximos anos e conta que dentro de apenas três anos já terá dispositivos controlando cerca  de 1.000 qubits, o que corresponde a cerca de 20 vezes mais do que consta na literatura hoje em  dia. Lógico, as figuras de mérito que devem ser analisadas são muito mais complicadas do que apenas número de qubits, mas isso já pode servir para estabelecer uma base do que se pode esperar. Acredito que dentro de cinco anos já teremos algum exemplo de cálculo útil feito por computadores quânticos especificamente desenhados para resolver tais problemas. Já um pouco mais para o futuro, torço para que em quem sabe uns 10 a 15 anos tenhamos computadores quânticos de propósito geral com um poder computacional suficiente para que indústrias e  pesquisadores de áreas diversas possam utilizar hardware quântico para seus desenvolvimentos da mesma forma com que utilizam supercomputadores atualmente.

 

Editado por: Vanessa Petuco

vanessa.petuco@aprix.com.br

 


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