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Como os computadores quânticos mudarão o mundo: Futuro dos Computadores P7

David Tal, editor, futurista
@DavidTalWrites
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Mon, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

Há muito hype flutuando em torno da indústria de computadores em geral, hype centrado em uma tecnologia específica que tem o potencial de mudar tudo: computadores quânticos. Sendo o homônimo de nossa empresa, admitiremos um viés em nossa otimismo em relação a essa tecnologia e, ao longo deste capítulo final de nossa série O Futuro dos Computadores, esperamos compartilhar com você o motivo disso.

Em um nível básico, um computador quântico oferece uma oportunidade de manipular informações de uma maneira fundamentalmente diferente. Na verdade, uma vez que essa tecnologia amadurece, esses computadores não apenas resolverão problemas matemáticos mais rapidamente do que qualquer computador existente atualmente, mas também qualquer computador previsto para existir nas próximas décadas (assumindo que a lei de Moore seja verdadeira). Com efeito, semelhante à nossa discussão sobre supercomputadores em nosso último capítulo, os futuros computadores quânticos permitirão que a humanidade enfrente questões cada vez maiores que podem nos ajudar a obter uma compreensão profundamente mais profunda do mundo ao nosso redor.

O que são computadores quânticos?

Hype à parte, como os computadores quânticos são diferentes dos computadores padrão? E como eles funcionam?

Para aprendizes visuais, recomendamos assistir a este vídeo curto e divertido da equipe do Kurzgesagt no YouTube sobre este tópico:

Enquanto isso, para nossos leitores, faremos o possível para explicar os computadores quânticos sem a necessidade de um diploma de física.

Para começar, precisamos lembrar que a unidade básica de processamento de computadores de informação é um bit. Esses bits podem ter um de dois valores: 1 ou 0, ligado ou desligado, sim ou não. Se você combinar um número suficiente desses bits, poderá representar números de qualquer tamanho e fazer todos os tipos de cálculos neles, um após o outro. Quanto maior ou mais poderoso o chip de computador, maiores os números que você pode criar e aplicar cálculos, e mais rápido você pode passar de um cálculo para outro.

Os computadores quânticos são diferentes de duas maneiras importantes.

Primeiro, é a vantagem da “superposição”. Enquanto os computadores tradicionais operam com bits, os computadores quânticos operam com qubits. O efeito de superposição que os qubits permitem é que, em vez de ser restrito a um dos dois valores possíveis (1 ou 0), um qubit pode existir como uma mistura de ambos. Esse recurso permite que os computadores quânticos operem de forma mais eficiente (mais rápida) do que os computadores tradicionais.

Em segundo lugar, é a vantagem do “emaranhamento”. Esse fenômeno é um comportamento único da física quântica que vincula o destino de uma quantidade de partículas diferentes, de modo que o que acontece com uma afeta as outras. Quando aplicado a computadores quânticos, isso significa que eles podem manipular todos os seus qubits simultaneamente – em outras palavras, em vez de fazer um conjunto de cálculos um após o outro, um computador quântico poderia fazer todos ao mesmo tempo.

A corrida para construir o primeiro computador quântico

Este título é um pouco impróprio. Empresas líderes como Microsoft, IBM e Google já criaram os primeiros computadores quânticos experimentais, mas esses protótipos iniciais apresentam menos de duas dúzias de qubits por chip. E embora esses esforços iniciais sejam um grande primeiro passo, as empresas de tecnologia e os departamentos de pesquisa do governo precisarão construir um computador quântico com pelo menos 49 a 50 qubits para que o hype atinja seu potencial teorizado no mundo real.

Para esse fim, há várias abordagens sendo experimentadas para atingir esse marco de 50 qubits, mas duas estão acima de todos os cantos.

Em um campo, o Google e a IBM pretendem desenvolver um computador quântico representando qubits como correntes que fluem através de fios supercondutores que são resfriados a -273.15 graus Celsius, ou zero absoluto. A presença ou ausência de corrente significa 1 ou 0. O benefício dessa abordagem é que esses fios ou circuitos supercondutores podem ser construídos de silício, um material com o qual as empresas de semicondutores têm décadas de experiência trabalhando.

A segunda abordagem, liderada pela Microsoft, envolve íons presos em uma câmara de vácuo e manipulados por lasers. As cargas oscilantes funcionam como qubits, que são então usados para processar as operações do computador quântico.

Como usaremos computadores quânticos

Ok, deixando a teoria de lado, vamos nos concentrar nas aplicações do mundo real que esses computadores quânticos terão no mundo e como as empresas e as pessoas se envolvem com isso.

Problemas logísticos e de otimização. Entre os usos mais imediatos e lucrativos para computadores quânticos estará a otimização. Para aplicativos de compartilhamento de viagens, como o Uber, qual é a rota mais rápida para pegar e deixar o maior número possível de clientes? Para gigantes do comércio eletrônico, como a Amazon, qual é a maneira mais econômica de entregar bilhões de pacotes durante a corrida de compras de presentes de fim de ano?

Essas perguntas simples envolvem o processamento de centenas a milhares de variáveis de uma só vez, um feito que os supercomputadores modernos simplesmente não conseguem lidar; então, em vez disso, eles computam uma pequena porcentagem dessas variáveis para ajudar essas empresas a gerenciar suas necessidades logísticas de uma maneira menos do que ideal. Mas com um computador quântico, ele cortará uma montanha de variáveis sem suar a camisa.

Tempo e do clima modelagem. Semelhante ao ponto acima, a razão pela qual o canal meteorológico às vezes erra é porque existem muitas variáveis ambientais para seus supercomputadores processarem (isso e, às vezes, coleta de dados meteorológicos ruins). Mas com um computador quântico, os cientistas meteorológicos podem não apenas prever perfeitamente os padrões climáticos de curto prazo, mas também podem criar avaliações climáticas de longo prazo mais precisas para prever os efeitos das mudanças climáticas.

Medicina personalizada. Decodificar seu DNA e seu microbioma exclusivo é crucial para que futuros médicos prescrevam medicamentos perfeitamente adaptados ao seu corpo. Embora os supercomputadores tradicionais tenham avançado na decodificação do DNA de maneira econômica, o microbioma está muito além de seu alcance – mas não para os futuros computadores quânticos.

Os computadores quânticos também permitirão que as grandes empresas farmacêuticas prevejam melhor como diferentes moléculas reagem com seus medicamentos, acelerando significativamente o desenvolvimento farmacêutico e reduzindo os preços.

Exploração espacial. Os telescópios espaciais de hoje (e de amanhã) coletam enormes quantidades de dados de imagens astrológicas todos os dias que rastreiam os movimentos de trilhões de galáxias, estrelas, planetas e asteróides. Infelizmente, são dados demais para os supercomputadores de hoje filtrarem para fazer descobertas significativas regularmente. Mas com um computador quântico maduro combinado com aprendizado de máquina, todos esses dados podem finalmente ser processados com eficiência, abrindo as portas para a descoberta de centenas a milhares de novos planetas diariamente no início da década de 2030.

Ciências fundamentais. Semelhante aos pontos acima, o poder de computação bruto que esses computadores quânticos permitem permitirá que cientistas e engenheiros criem novos produtos químicos e materiais, bem como motores de melhor funcionamento e, claro, brinquedos de Natal mais legais.

Aprendizado de máquinas. Usando computadores tradicionais, os algoritmos de aprendizado de máquina precisam de uma quantidade gigantesca de exemplos selecionados e rotulados (big data) para aprender novas habilidades. Com a computação quântica, o software de aprendizado de máquina pode começar a aprender mais como os humanos, por meio do qual eles podem adquirir novas habilidades usando menos dados, dados mais confusos, geralmente com poucas instruções.

Essa aplicação também é um tópico de entusiasmo entre os pesquisadores no campo da inteligência artificial (IA), pois essa capacidade de aprendizado natural aprimorada pode acelerar o progresso na pesquisa de IA por décadas. Mais sobre isso em nossa série Futuro da Inteligência Artificial.

Criptografia. Infelizmente, esse é o aplicativo que mais deixa os pesquisadores e agências de inteligência nervosos. Todos os serviços de criptografia atuais dependem da criação de senhas que levariam milhares de anos para um supercomputador moderno decifrar; os computadores quânticos poderiam teoricamente rasgar essas chaves de criptografia em menos de uma hora.

Serviços bancários, de comunicação, de segurança nacional, a própria internet depende de criptografia confiável para funcionar. (Ah, e esqueça o bitcoin também, dada sua dependência principal da criptografia.) Se esses computadores quânticos funcionarem como anunciado, todas essas indústrias estarão em risco, na pior das hipóteses, colocando em risco toda a economia mundial até que construamos criptografia quântica para manter ritmo.

Tradução de idiomas em tempo real. Para encerrar este capítulo e esta série em uma nota menos estressante, os computadores quânticos também permitirão a tradução de idiomas quase perfeita e em tempo real entre dois idiomas, seja por um bate-papo do Skype ou pelo uso de um dispositivo de áudio ou implante em seu ouvido. .

Em 20 anos, o idioma não será mais uma barreira para negócios e interações cotidianas. Por exemplo, uma pessoa que só fala inglês pode entrar com mais confiança em relações comerciais com parceiros em países estrangeiros onde as marcas inglesas não teriam conseguido penetrar e, ao visitar esses países estrangeiros, essa pessoa pode até se apaixonar por uma certa pessoa que só acontece de falar cantonês.