A computação quântica poderia nos fornecer máquinas muito mais poderosas do que as de hoje, mas ainda temos um longo caminho a percorrer, dizem os líderes na área.
A história tecnológica do século até agora tem sido a chegada generalizada da inteligência artificial generativa, que impulsiona as capacidades surpreendentes de sistemas como o ChatGPT e está sendo rapidamente absorvida em nossas vidas cotidianas.
Seja para imitar a criatividade humana, atuar como conselheiro empático ou eliminar tarefas burocráticas, a IA generativa trouxe um aumento sem precedentes de entusiasmo por seus benefícios potenciais.
De igual preocupação são os possíveis aspectos negativos: perdas catastróficas de empregos, desinformação generalizada e até mesmo – no extremo perturbador da escala – a extinção humana. Por mais remota que essa última possibilidade possa parecer, as manchetes mais chocantes sobre IA de hoje logo poderão ser relegadas a notas de rodapé.
Aguardando nos bastidores está uma tecnologia com o potencial de superar o ritmo de mudança representado pela revolução GPT, uma que também poderia fornecer à IA o combustível de foguete necessário para progredir de meramente sensacional para uma transformação massiva e universal: a computação quântica.
Uma vez em funcionamento, os computadores quânticos aumentariam exponencialmente a velocidade de processamento, o que, por sua vez, melhoraria imensamente nossa compreensão do mundo, desde as estruturas moleculares complexas das coisas (ou seja, a química praticamente de tudo) até a maneira como os sistemas (como economias, o movimento de pessoas nas cidades, o clima) interagem entre si de maneiras aparentemente infinitas e imprevisíveis.
Um caminho poderia então ser aberto para curar doenças como câncer e Alzheimer, ou criar energia limpa com implicações de salvamento do planeta para o meio ambiente. A promessa dourada da computação quântica é simplesmente espetacular demais para resistir.
Além disso, a computação quântica é um complemento natural para a IA. Enquanto a IA traz a capacidade de se autoaperfeiçoar e aprender com seus erros, os computadores quânticos adicionam velocidade e potência.
O CEO do Google, Sundar Pichai, afirmou que “a IA pode acelerar a computação quântica, e a computação quântica pode acelerar a IA”, semeando uma parceria que promete fazer pela inteligência artificial criada pelo homem o que Lennon e McCartney fizeram pela música popular.
Por décadas, máquinas inteligentes estiveram em um “inverno da IA”: elas conseguiram vencer os humanos em xadrez e jogos de perguntas, mas foram rapidamente superestimadas e não alcançaram todo o seu potencial.
Os recentes e rápidos avanços na IA generativa, começando na metade dos anos 2000, são um sinal para muitos de que a primavera para a aprendizagem de máquina finalmente chegou.
O mesmo padrão de progresso em breve pode ser verdade para os computadores quânticos, que podem representar “uma das realizações mais espetaculares da ciência e da tecnologia neste milênio – um marco na ingenuidade e aspiração do conhecimento humano”, diz o Professor Giulio Chiribella, diretor da Iniciativa de Informação e Computação Quântica na Universidade de Hong Kong.
Bilhões de dólares estão sendo gastos em todo o mundo pelo setor privado e governos para fazer isso acontecer (o investimento da China em computação quântica desde meados dos anos 1980 é estimado em cerca de US$ 25 bilhões), mas não será fácil.
A criação de um computador quântico totalmente funcional é uma tarefa muito difícil, porque os computadores quânticos não se parecem em nada com os smartphones, laptops, desktops ou mesmo supercomputadores corporativos – coletivamente chamados de “computadores clássicos” – que moldaram o cenário digital atual e nos quais passamos a depender.
Em vez dos regulares “bits” (dígitos binários: as menores unidades de informação) de um computador clássico, os computadores quânticos são construídos com “qubits” (bits quânticos).
Enquanto os bits podem ser descritos como interruptores que estão ligados ou desligados, graças à natureza fundamentalmente bizarra da física quântica – um reino de incerteza e probabilidade – os qubits podem estar tanto ligados quanto desligados ao mesmo tempo, e em uma enorme variedade de estados intermediários.
Isso parece impossível, mas é assim que as partículas subatômicas se comportam, e os qubits são feitos de átomos e partículas subatômicas.
Dada a escala e a natureza incerta dos qubits, eles são extremamente difíceis de controlar de maneira precisa e repetível. É por isso que Chiribella insiste que “construir um computador quântico real ainda é um desafio tremendo”.
Por serem inerentemente frágeis, os qubits precisam ser mantidos isolados de qualquer interferência externa, seja da observação humana ou da interação com partículas próximas.
Uma vez comprometidos, os qubits entram em um estado de “decoerência” e se tornam – no jargão do laboratório quântico – “ruidosos”.
Lidar com esse problema de ruído é uma das principais dificuldades enfrentadas pelos cientistas de computação quântica. Uma abordagem para controlar os qubits voláteis é mantê-los a uma temperatura próxima do zero absoluto (menos 273 graus Celsius/menos 460 graus Fahrenheit, aproximadamente a mesma temperatura do lugar mais frio no espaço exterior), onde eles são mais estáveis, por isso as estruturas que os cercam se assemelham a enormes lustres de latão: esses deslumbrantes tubos interconectados são simplesmente os equipamentos de resfriamento.
Dadas essas exigências, é seguro supor que ninguém estará levando um laptop quântico para o trabalho em breve – mas no laboratório, vislumbres do enorme potencial da computação quântica estão começando a surgir.
O objetivo final é um aumento exponencial na velocidade e potência em relação aos computadores clássicos, que processam informações de maneira linear. Computadores quânticos individuais, por outro lado, são projetados para realizar muitos cálculos em paralelo, ao mesmo tempo.
Claro, você poderia conectar um monte de computadores clássicos para trabalhar em paralelo, mas nenhuma dessas disposições poderia superar um único computador quântico poderoso em velocidade. Cálculos complexos que levariam supercomputadores clássicos milhares de anos para realizar, em teoria, poderiam ser concluídos por computadores quânticos em minutos.
Para entender como isso funciona e compreender o impacto potencial dos computadores quânticos, um pouco de conhecimento em física quântica é útil.
Os primeiros vislumbres no mundo microscópico da mecânica quântica vieram das matemáticas e experimentos mentais de Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg, entre outros, na primeira metade do século XX.
A realidade que eles descreveram era quase impossível de compreender, mesmo segundo suas próprias admissões.
Em seu livro de 1992, “Dreams of a Final Theory” (Sonhos de uma Teoria Final), o falecido autor e físico Steven Weinberg se sentiu inteiramente justificado em usar a fantástica mitologia wagneriana para descrever as visões oferecidas pela teoria quântica: “Muitas vezes nos sentimos como Siegfried após provar o sangue do dragão, quando ele descobriu, para sua surpresa, que podia entender a linguagem dos pássaros.”
O fato de um dos cientistas mais proeminentes do mundo ter encontrado a visão quântica do mundo tão mágica oferece uma medida de seu fascínio e potencial maravilhoso.
Não há como contornar: o mundo quântico é profundamente estranho e contra-intuitivo. Isso ocorre porque a maneira como as coisas se comportam no nível subatômico é profundamente estranha e contra-intuitiva.
A ideia de um universo “mecanicista” – estabelecido por Isaac Newton e sua mecânica clássica pré-Einstein – parecia relativamente lógica e acessível. A visão quântica da realidade é muito mais perplexa e menos intuitiva do que a versão newtoniana, mas é algo que precisamos aceitar.
“Natureza não é clássica, droga”, proclamou o físico Richard Feynman em 1981, quando os pensamentos de aplicar a teoria quântica à computação foram considerados seriamente pela primeira vez.
Para entender a natureza nebulosa da realidade quântica, Feynman estava sugerindo, precisaríamos de um novo tipo de computador: um quântico.
Dois dos aspectos mais estranhos da mecânica quântica – superposição e emaranhamento – desempenham um papel crucial na computação quântica.
A superposição quântica confere aos qubits sua qualidade de “ligado e desligado ao mesmo tempo”, sem a qual não haveria computadores quânticos, e o emaranhamento quântico dá aos computadores quânticos seu imenso poder, aumentando a capacidade de processamento para níveis exponenciais além dos computadores clássicos.
Ambas essas características são extremamente estranhas em comparação com o mundo que podemos ver ao nosso redor. A superposição, que tem a ver com a medição e observação de partículas, deu origem a uma série de experimentos mentais coloridos, o mais famoso sendo o Gato de Schrödinger (nomeado em homenagem ao mencionado Erwin), preso em uma caixa, invisível, teoricamente vivo e morto ao mesmo tempo.
Então, há esse paradoxo, e ninguém realmente sabe exatamente o que está acontecendo com o emaranhamento – nem mesmo os físicos mais inteligentes – porque ele propõe que um par de partículas possa compartilhar uma propriedade que os une como um único objeto, não importa quão distantes estejam: um pode estar aqui na Terra, o outro pode estar em algum lugar do outro lado do universo, não importa, eles ainda estão unidos como um.
O emaranhamento foi um desafio até mesmo para Einstein, que o chamou de “ação fantasmagórica à distância”, mas no século desde a sua descoberta, experimentos têm provado que o emaranhamento é verdadeiro.
Graças aos efeitos comprováveis da superposição e do emaranhamento, a ideia de um computador quântico entra no reino da possibilidade, pelo menos em teoria.
No entanto, criar um computador quântico no mundo real requer muito mais do que apenas o conhecimento da mecânica quântica, e os maiores avanços em direção a uma máquina quântica prática – uma espécie de momento “eureka” – vieram da matemática, e dos algoritmos revolucionários desenvolvidos por Peter Shor, professor de matemática aplicada no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).
Algoritmos são conjuntos de regras que permitem que os computadores realizem cálculos, e em 1994, Shor escreveu um – imortalizado como “algoritmo de Shor” – que efetivamente forneceu instruções para os computadores quânticos imaginados por Feynman.
Em outras palavras, ele havia escrito o software em torno do qual o hardware quântico poderia ser projetado e, ao fazer isso, deu início à corrida por um dispositivo quântico útil na vida real.
Jungsang Kim – co-fundador e diretor de tecnologia da IonQ, cuja missão é construir os melhores computadores quânticos do mundo – está imerso nos desafios de fabricação e controle de qubits há quase duas décadas.
“O segredo sujo sobre qubits é: você pode ter quantos qubits quiser, mas qubits não são computadores quânticos, assim como o silício ou a areia que você encontra nas praias não são computadores”, ele diz.
“Primeiro, você precisa ser capaz de dizer ao computador o que fazer. Segundo, ele deve fornecer de forma confiável a resposta certa. O desafio na computação quântica é que os erros ainda são grandes.
“Portanto, quando você instrui realmente o seu computador quântico a fazer um cálculo específico, o hardware do seu computador não é perfeito e, em algum momento, ele é dominado pelo ruído e simplesmente fará coisas aleatórias.
“Quando um computador quântico faz coisas aleatórias, não importa quantos qubits você tenha, você terá resultados inválidos.”
No entanto, a solução para o problema dos resultados inválidos do qubit é relativamente simples: correção de erros. De acordo com a maioria das estimativas, cerca de 90% do poder de processamento de qualquer computador quântico terá que ser direcionado para corrigir os erros do qubit.
A boa notícia para os cientistas da computação quântica é que, com os algoritmos certos, isso é inteiramente possível. “A ideia-chave é que você não precisa se preocupar com [erros do qubit]”, diz Spiros Michalakis, um físico matemático do Instituto de Informação e Matéria Quântica – parte do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) em Pasadena.
“Tudo que você precisa se preocupar é com outro algoritmo mais simples com recursos adicionais, que chamamos de correção de erro quântico, porque você encontra os erros, os corrige e depois continua o cálculo.”
A IonQ, considerada uma das líderes na corrida por um computador quântico útil, está seguindo o que é conhecido como a abordagem de “íons aprisionados” para qubits, na qual átomos de um elemento de terras raras (ítrio) são capturados e mantidos no lugar por campos eletromagnéticos.
“Agora só precisamos continuar inovando para que ele se expanda”, diz Kim, que espera ter feito progresso mensurável “até o meio desta década”.
Mesmo que seus métodos tenham sucesso, ele enfrenta forte concorrência – a técnica de íon aprisionado da IonQ é uma das várias abordagens para a computação quântica, cada uma apostando em diferentes tipos de hardware e dependendo de diferentes variedades de qubits.
Como o cosmólogo Andrew Pontzen explica em seu novo livro, “O Universo em uma Caixa”: “O hardware preciso é quase irrelevante – ele pode ser baseado em átomos, luz, metais supercondutores ou qualquer outra coisa que exiba comportamento quântico”.
As chamadas máquinas de qubit supercondutor em desenvolvimento por uma série de empresas famosas – incluindo Amazon Web Services, Google, IBM, Intel, Alibaba (dona do South China Morning Post) e Baidu – chamaram a atenção porque o hardware inclui essas estruturas de resfriamento semelhantes a lustres projetadas para controlar qubits voláteis.
“O minúsculo chip que contém os qubits, você mal consegue vê-lo com o olho”, diz Michalakis, quando nos encontramos no campus do Caltech onde Feynman havia lecionado e Shor estudado.
“Tudo o mais está lá para resfriar [o chip], para que ele possa permanecer quântico e não seja interferido pelo ambiente.”
O físico teórico Alexei Kitaev desenvolveu independentemente uma abordagem completamente diferente para o qubit – a computação quântica topológica – e a Microsoft usou isso como base para suas próprias ambições quânticas.
Seja qual desses métodos tiver sucesso primeiro, ou se a melhor solução para o hardware quântico estiver em outro lugar, superar desafios materiais e tolerância a falhas não será fácil.
Uma vez totalmente funcional, no entanto, os computadores quânticos serão capazes de fazer coisas que Michalakis descreve como “incríveis”. Poderíamos ver, por exemplo, melhorias significativas na tecnologia de baterias.
E em expectativa de suas vantagens, a indústria automobilística já está colaborando com pioneiros na arena da computação quântica.
A Daimler se associou à IBM, a Volkswagen à D-Wave Systems (uma empresa canadense de computação quântica) e a Hyundai à IonQ.
“Se você puder aumentar a densidade de energia da sua bateria em mais dois, três ou quatro fatores, então em vez de 300 milhas (480 km), você pode percorrer 600 milhas e 1.200 milhas com uma única carga,” diz Kim. “Isso realmente começa a ultrapassar o limite em que eles se tornam muito mais atraentes do que os combustíveis fósseis. E então podemos realmente impactar o aquecimento global e todos esses problemas.”
O conhecimento aprimorado, por meio da computação quântica, sobre a nitrogenase – a enzima bacteriana que converte nitrogênio em amônia – poderia fazer uma grande diferença em nossas vidas, diz Kim.
“Há uma maneira clássica de converter nitrogênio em amônia chamada processo Haber-Bosch, e isso consome uma boa fração da energia que geramos à noite para criar fertilizantes.
“As bactérias fazem isso em temperatura ambiente, mas não entendemos a dinâmica central disso porque é muito complicado.
“Agora, se você realmente conseguir entender isso, isso significa que podemos economizar 10% do consumo de energia hoje usado na fabricação de fertilizantes? Com certeza.”
Da mesma forma, os mistérios da sequestro de carbono poderiam ser desvendados pela computação quântica, com benefícios claros para os esforços de reverter o aquecimento global.
O design de medicamentos em nível molecular poderia ser revolucionado, abrindo novas possibilidades para vacinas e, por exemplo, tratamento personalizado do câncer.
Não há dúvida: com a computação quântica eficaz, nossa compreensão dos processos químicos poderia se tornar divina. Finanças e investimentos também poderiam ser revolucionados pelos qubits. A enorme variedade de fatores que causam flutuações no mercado permite uma gama quase infinita de resultados possíveis, e modelar essas possibilidades seria relativamente simples para os computadores quânticos.
As previsões dos movimentos do mercado se tornariam muito mais precisas. Os computadores quânticos também seriam uma correspondência natural para problemas de otimização e eficiência de economia de custos: “Como digo aos empreendedores, pegue qualquer algoritmo que você atualmente precisa para a logística do seu negócio, depois veja se esses teóricos desenvolveram um algoritmo quântico que possa impulsioná-lo”, diz Michalakis.
“Quão transformadora essa seria para a vida.”
Por enquanto, permanecemos na era NISQ – Quantum Noisy Intermediate-Scale – aguardando o momento de avanço da supremacia quântica, quando um computador quântico demonstrará inequivocamente vantagens significativas sobre os computadores clássicos.
Com sua máquina Sycamore de 53 qubits, o Google reivindicou prematuramente a supremacia quântica em 2019 – ainda um marco fantástico de acordo com Michalakis – seguido por reivindicações semelhantes de pesquisadores na China em 2020.
“Uma equipe liderada pelo Professor Pan Jianwei da Universidade de Ciência e Tecnologia da China conduziu um experimento inovador em que um computador quântico baseado em luz chamado Jiuzhang realizou uma computação mais rápida do que o melhor algoritmo clássico conhecido na época”, diz Chiribella.
“Esse experimento alcançou um aumento de velocidade de cerca de um trilhão de trilhões de vezes em comparação com uma simulação clássica de força bruta. Hoje em dia, é amplamente considerado um dos principais marcos na busca pela supremacia quântica.”
Em 2021, Pan adotou a abordagem de qubit supercondutor com um processador quântico de 66 qubits chamado Zuchongzhi, que desde então tem sido usado em “uma série de aplicações interessantes para o estudo da química quântica e da matéria quântica”, explica Chiribella.
No entanto, um momento de exaltação plena na computação quântica ainda não foi universalmente aceito. Observadores destacam a natureza seletiva dos cálculos usados para determinar a supremacia e os desafios contínuos da correção de erros como evidência de que o grande amanhecer da era do computador quântico foi adiado.
“Há dois desafios com a supremacia quântica”, acrescenta Chiribella. “Um é alcançá-la, e o outro é saber com certeza que a alcançamos.”
Michalakis, como a maioria dos especialistas no campo, pratica a paciência. “Tentamos espalhar no mundo mentes claras que possam levar o fluxo de excitação e afastá-lo do exagero e levá-lo a uma pesquisa mais profunda e ponderada”, diz ele.
“Sou um otimista extremo, na verdade. Acredito que tudo é possível: o universo vai providenciar, não importa o que você queira, mas você tem que pedir de maneira gentil.”
Existem muitas tarefas em que os computadores clássicos são realmente bons, e não faz sentido recorrer a um computador quântico.
Jungsang Kim, co-fundador e diretor de tecnologia, IonQ
Quando questionado sobre quanto tempo levará para que um computador quântico poderoso chegue, o guru dos algoritmos Shor adota uma abordagem realista e cautelosa: “Acredito que os computadores quânticos continuarão melhorando e eventualmente, talvez daqui a 20 ou 30 anos, eles serão grandes o suficiente para fazer algo realmente útil”, diz ele. “Talvez, se formos espertos, não leve tanto tempo. Mas serão necessários vários avanços.”
Enquanto aguardamos pelo próximo momento de descoberta, como será o futuro imediato da computação quântica?
“Acho que muitas dessas metodologias, à medida que as exploramos, se revelarão como problemas híbridos”, diz Kim.
“Existem muitas tarefas em que os computadores clássicos são realmente bons, e não faz sentido recorrer a um computador quântico. Acho que devemos usar toda a munição que temos em termos de poder de computação clássico e depois obter o impulso – que os computadores clássicos nunca fornecerão – com a computação quântica.”
Uma das coisas que muitas pessoas entendem errado, diz Shor, “é que pensam que um computador quântico pode fazer qualquer coisa que um computador clássico possa – apenas muito, muito mais rápido. E acontece que você só pode acelerar certos problemas em um computador quântico”. Daí a probabilidade de uma abordagem híbrida como a sugerida por Kim.
Para onde esse roteiro pode nos levar é alvo de especulação, mas todos os cenários se baseiam no equilíbrio de promessa e perigo que se tornou familiar com a recente ascensão da IA generativa.
Por exemplo, os computadores quânticos teriam pouca dificuldade em decifrar as atuais cifras de criptografia de dados e cibersegurança, e como medida de precaução, ferramentas para resistir a futuros ataques cibernéticos por dispositivos quânticos – ainda não construídos – já estão sendo projetadas.
Por outro lado, possíveis novos tipos de chaves de criptografia geradas por computadores quânticos podem ser muito mais seguros do que os protocolos atuais. Como o sucesso quântico afeta o estado de superioridade computacional dependerá, portanto, do momento e do local de sua chegada.
O brilho da espada de dois gumes também surge sempre que os pensamentos se voltam para a parceria antecipada entre a computação quântica e a IA.
De um lado, as águas escuras da ameaça existencial; do outro – como o físico teórico Michio Kaku escreve em seu último livro, “Supremacia Quântica” – a promessa de um futuro brilhante sustentado por uma inteligência além do humano: “A IA tem a capacidade de aprender novas tarefas complexas, e os computadores quânticos podem fornecer a força computacional de que ela precisa […]
“Na verdade, a fusão dos dois pode revolucionar todas as áreas da ciência, alterar nosso estilo de vida e mudar radicalmente a economia.
“A IA nos dará a capacidade de criar máquinas de aprendizado que podem começar a imitar as habilidades humanas, enquanto os computadores quânticos podem fornecer o poder de cálculo para finalmente criar uma máquina inteligente.”
Significativamente, em junho deste ano, Pan e sua equipe anunciaram outro marco para sua máquina Jiuzhang: em testes, ela realizou certos tipos de cálculos necessários para a IA 180 milhões de vezes mais rápido do que o supercomputador mais rápido do mundo.
Mesmo com todo o ruído e erros, Jiuzhang ainda pode produzir resultados impressionantes: motivo de grande otimismo entre aqueles determinados a finalmente ver o dia em que podem deixar para trás o inverno quântico.
Até lá, podemos nos ocupar com a realização crescente de que algo filosoficamente profundo começou a permear nossa consciência compartilhada a partir dos laboratórios dos pioneiros quânticos do mundo.
A física quântica lhe diz que você deve ocupar todos os pontos de vista possíveis porque não há um ponto de vista fundamental que seja melhor do que o de qualquer outra pessoa.
Spiros Michalakis, Instituto de Informação e Matéria Quântica, Caltech
Para muitos físicos e matemáticos, cada etapa da jornada em direção aos computadores quânticos funcionais e revolucionários pressupõe o reconhecimento de um objetivo ainda mais profundo: uma compreensão maior da natureza da realidade.
Isso também poderia significar que a própria natureza da compreensão precisa ser reconsiderada.
“A revolução na física quântica agora é fazer uma mudança copernicana de ponto de vista”, diz Michalakis, convocando a vasta nuvem de possibilidades embutida na essência improvável dos qubits.
“A física quântica lhe diz que você deve ocupar todos os pontos de vista possíveis, porque não existe uma verdade fundamental. Não há um ponto de vista fundamental que seja melhor do que o de qualquer outra pessoa. Todos estão conectados.”
Para Michalakis, essa convergência de qubits, matemática e filosofia é crucial, esclarecedora e – em nosso universo quântico – inevitável: “Você percebe em algum momento que houve um equívoco sobre o que precisamos buscar como seres humanos. A busca pela verdade? Isso está errado. Se não há uma única verdade – e se há apenas a ilusão de uma verdade comum – então você não deveria estar buscando a verdade. Deveria estar buscando a compreensão.” Com conteúdo do SCMP.
