Quantencomputer: "A próxima grande novidade?"

 

Quantencomputer: "A próxima grande novidade?"


A física quântica, segundo a qual funciona o computador quântico (QC), é conhecida há cerca de cem anos.



Os efeitos da física quântica aplicados aqui são muito sensíveis. Por esta razão, os chips QC são resfriados e protegidos em vários níveis com blindagens e estágios de resfriamento até quase o zero absoluto de -273 °C. Quem não estudou física teórica e talvez tenha se concentrado nesse campo deve lidar com o assunto com muita intensidade.




Há muitos indícios de que estamos abrindo um novo capítulo de tecnologia aqui. É uma área realmente nova que está prestes a ser implementada. Quando questionados sobre qual poderia ser a "próxima grande novidade" em cerca de cinco a dez anos, a equipe de CQ já tinha um palpite...


Novo computador quântico da China quebra todos os recordes


Diz-se que a calculadora é um milhão de vezes mais forte que o computador Sycamore do Google. Físicos chineses afirmam ter construído 2 computadores quânticos mais rápidos do que qualquer concorrente dos EUA.


É um computador supercondutor e um computador ainda mais rápido que funciona com fótons de luz. De acordo com um estudo publicado na Physical Review Letters e no Science Bulletin, diz-se que atinge resultados sem precedentes.


O computador quântico, apelidado de Jiuzhang 2, pode executar uma tarefa em um milissegundo que levaria o computador convencional mais rápido do mundo 30 trilhões de anos para ser concluído.




É uma versão melhorada de uma máquina anterior e é 10 milhões de vezes mais rápida que o computador quântico Sycamore do Google com 66 qubits.

Como funciona um computador quântico?


Nos últimos anos, notícias de novos avanços na tecnologia quântica se tornaram mais frequentes. Se você quiser explicar as conquistas, são usados ​​termos como qubits, superposição e emaranhamento. Mas o que eles significam, como os computadores quânticos são estruturados e o que você realmente pode fazer com eles? A zona do futuro perguntou.


Um computador normal, que a maioria das pessoas usa todos os dias, processa informações em bits. Eles podem ter o status 1 ou 0. Isso permite que todas as informações sejam exibidas. 8 bits são um byte. Quanto mais bytes um computador tiver, mais informações ele poderá armazenar.


Um computador quântico, por outro lado, usa qubits. Como os bits normais, eles também podem assumir o estado 0 ou 1. No entanto, eles não estão nem em um estado nem em outro, mas em ambos ao mesmo tempo (superposição). Isso permite que um enorme poder de computação seja alcançado muito rapidamente, o que um computador normal não poderia fornecer.


Ao contrário de um computador normal, os qubits podem realizar vários cálculos ao mesmo tempo e, portanto, não são apenas muito mais rápidos, mas tornam possível o que antes era impensável. Por exemplo, se você quiser armazenar o estado de 300 átomos, um computador normal precisaria de tanto espaço de armazenamento quanto o número de átomos no universo.


Um computador quântico com 300 qubits pode facilmente mapear esses 300 átomos, como uma miniatura. Em entrevista ao Futurezone, o físico quântico Gerhard Kirchmair faz uma comparação: “Quando construo um avião ou um carro, testo uma miniatura 1:1 em um túnel de vento, por exemplo. É assim que você pode imaginá-lo em um computador quântico.”



🔸 Quais são os diferentes métodos de construção?

Quando você olha para imagens de computadores quânticos, sempre se depara com uma estrutura dourada que parece um candelabro. Mas a maior parte é a "geladeira". O processador real é um chip de alguns centímetros quadrados que fica pendurado na parte inferior.


Existe outro tipo de computador quântico que está mostrando muito potencial no momento: a armadilha de íons. Aqui, os íons são presos em uma câmara de vácuo usando um laser e campos elétricos. Em vez de estar preso a um "candelabro" como abaixo, o processador está em uma caixa de aço.


"Ambas as tecnologias têm vantagens e desvantagens", explica Kirchmair, que pesquisa circuitos supercondutores na Universidade de Innsbruck. As armadilhas de íons são menos escaláveis, mas poderiam ter um melhor tempo de coerência, ou seja, o período durante o qual os qubits permanecem estáveis.


Além disso, com armadilhas de íons pode-se supor que exatamente os mesmos bits quânticos são usados ​​em todo o mundo. “Isso é uma vantagem porque eles não precisam mais ser caracterizados. É diferente com circuitos supercondutores, mas aqui eu mesmo posso projetar meu sistema", diz Kirchmair.




🔸 Para que preciso - e para que não?

A grande questão, claro, é: o que você faz com o computador quântico depois de tê-lo? Na pesquisa, por exemplo, você pode simular o comportamento das moléculas. Você pode examinar suas propriedades e quais reações ocorrem.


No futuro, porém, eles também poderão ser usados ​​para criptografia. Hoje usamos criptografia de chave pública para isso, por exemplo, em navegadores ou transações bancárias. Os pares de chaves são trocados, alguns dos quais são secretos, mas alguns são públicos. Isso funciona porque um computador normal levaria muito tempo para identificar cada chave. No entanto, os computadores quânticos podem fazer isso com muito mais eficiência - e, assim, quebrar essa proteção no menor tempo possível.


                                         


Como funcionam os misteriosos computadores quânticos? Como os "qubits" (bits quânticos) diferem dos bits em nossos computadores convencionais e como eles são manipulados? Como você chega às informações que um computador quântico calcula? O que significa superposição? E o que isso nos mostra Bloch Esfera? Primeira de uma série de seis partes sobre computadores quânticos (baseados em gate).

OS ATIVOS DOS BANCOS SERÃO TRANSFERIDOS PARA A NOVA INDÚSTRIA DE SERVIÇOS FINANCEIROS E CHAMADOS "CENTROS DE SERVIÇOS FINANCEIROS".


SISTEMA FINANCEIRO QUANTUM (QFS)

UM QUANTO DE HIPÓTESE


A tecnologia quântica está definida para revolucionar a TI. As promessas são enormes.


O dispositivo do qual o mundo está falando parece espetacularmente nada espetacular: como um grande aquecedor de água pendurado em um andaime, pintado de branco com alças pretas para remover a caixa. Uma olhada ao virar da esquina revela que pode haver algo especial por trás dos painéis redondos de plástico: toda uma parede de computadores, instrumentos de medição e dispositivos eletrônicos está conectada ao andaime.


Porque o aquecedor de água é, na verdade, a maior esperança da indústria de TI no momento: um computador quântico. "É um novo paradigma", diz Heike Riel, IBM Fellow e cientista-chefe do laboratório de pesquisa da IBM em Rüschlikon ZH, algo como a autoridade suprema para o dispositivo. "A tecnologia quântica mudará tanto quanto a tecnologia clássica de computadores há 70 anos", diz o professor Klaus Ensslin, da ETH Zurich. "Estamos no início de uma nova era", diz Jack Hidary, responsável por essa tecnologia no Google. "A computação quântica será o grande problema para a próxima geração", diz o comissário da UE, Thierry Breton. "Se eu fosse jovem, fundaria uma start-up quântica."


O Santo Graal da Ciência da Computação

Nenhuma conferência, desde o WEF em Davos até o Worldwebforum em Zurique e o DLD Congress em Munique, pode atualmente evitar o tópico da computação quântica. Durante décadas, ficou quieto sobre essa tecnologia. Mas em outubro passado, o Google surpreendeu a ciência ao relatar que havia usado um computador quântico para resolver um problema matemático em 200 segundos que levaria cerca de 10.000 anos para ser resolvido por um supercomputador convencional. Essa chamada Supremacia Quântica, a superioridade quântica, foi considerada o santo graal da ciência da computação, sua conquista como uma sensação tecnológica.


Porque essa é a grande promessa dessa tecnologia: catapultar o desempenho dos computadores para dimensões nas quais tudo pode ser calculado e de alguma forma representado matematicamente.


Desde o início da era dos semicondutores, na década de 1970, o progresso tecnológico segue a lei de Moore: a densidade dos circuitos integrados pode dobrar a cada 18 meses e, com isso, a capacidade de computação e armazenamento dos computadores. Mas depois de meio século, a Lei de Moore atingiu seus limites físicos: "Hoje, um transistor tem apenas algumas centenas de átomos de tamanho, as camadas individuais têm apenas alguns átomos de espessura", diz IBM Ms. Riel, maior densificação é, portanto, dificilmente possível .


A indústria vem tentando contornar o problema há algum tempo, por exemplo, distribuindo as tarefas de computação para vários processadores, alguns dos quais especializados, em uma placa de circuito e aumentando a frequência de clock dos chips. Mas também aqui os limites foram atingidos: o consumo de energia agora é muito alto e o calor resultante é muito grande. A tecnologia quântica poderia eliminar todas essas limitações.


Fundamentalmente diferente dos computadores anteriores

Os computadores quânticos funcionam de maneira semelhante ao que a natureza faz no nível subatômico - e, portanto, são fundamentalmente diferentes dos computadores anteriores. Os bits do mundo clássico da computação só podem ter dois valores: 0 ou 1. Já os qubits, abreviação de bits quânticos, podem ser 0 e 1 ao mesmo tempo e também qualquer valor intermediário – assim como no quantum mundo um elétron pode estar em dois lugares ao mesmo tempo.



Os desenvolvedores dos novos computadores fazem uso de outro efeito da mecânica quântica, o chamado emaranhamento: se você conectar dois qubits e influenciar o estado de um, o estado do outro também muda.

Ambos os efeitos juntos permitem que o poder de computação aumente exponencialmente: Um computador clássico tem cerca de dez bilhões de transistores - se você adicionar outro, praticamente não altera o desempenho.


Com um computador quântico, no entanto, a capacidade de computação dobra a cada qubit adicional. Não é de admirar que os computadores quânticos estejam melhorando em um ritmo de tirar o fôlego - o Google está falando sobre crescimento exponencial duplo.


O computador com o qual o Google anunciou a Supremacia Quântica trabalhava com 53 qubits, entretanto, diz-se que atingiu 72 qubits. “Um computador quântico com 300 qubits seria tão poderoso quanto um computador que usa cada átomo do universo como uma célula de memória”, diz Peter Zoller, professor da Universidade de Innsbruck.




Ampla gama de aplicações

As possíveis aplicações da nova tecnologia são tão tentadoras quanto amplas: "Não consigo imaginar uma indústria que não seja afetada!", diz Hidary, do Google.

🔸 Espera-se um grande progresso na pesquisa de materiais : ao calcular as propriedades de moléculas individuais e suas interações, serão criadas baterias extremamente poderosas, células solares altamente eficientes ou supercondutores que também funcionam em temperaturas normais.

🔸 Na indústria farmacêutica , as moléculas podem ser montadas em medicamentos completamente novos e complexos. Os computadores de hoje não podem nem calcular as propriedades de uma molécula comparativamente simples como a cafeína.

🔸Na pesquisa do câncer , as mutações celulares podem ser detectadas com muito mais rapidez e confiabilidade.

🔸 A produção de fertilizantes , atualmente responsável por 2% do consumo global de energia, pode ser revolucionada: computadores quânticos deveriam decodificar uma proteína que está nas raízes do feijão e poderiam converter o nitrogênio do ar em fertilizante.

🔸Os riscos financeiros poderiam ser calculados melhor na banca (simulação de Monte Carlo). Idealmente, crises financeiras iminentes poderiam ser previstas ou mesmo evitadas.

🔸 Tópicos de logística , como como as rotas de entrega são otimizadas ou os fluxos de tráfego são controlados, são feitos para a computação quântica.

🔸 Espera-se que os novos supercomputadores sejam capazes de calcular fenômenos climáticos e combater as mudanças climáticas.

🔸Já foi comprovado que todo método criptográfico conhecido hoje pode ser quebrado com computadores quânticos. Várias empresas, portanto, já desenvolveram mecanismos de criptografia com segurança quântica. Para serem protegidos, todos os dados existentes teriam que ser criptografados novamente com ele.


Os efeitos secundários provavelmente serão ainda maiores. A internet, na verdade, apenas conectou computadores entre si - e ainda assim mudou a sociedade em quase todas as áreas: como trabalhamos, compramos, consumimos mídia, dados etc. Deveria ser semelhante à computação quântica: "Ainda não podemos ver o que vai acontecer , mas o impacto será enorme!” diz Ian Walmsley, professor de física experimental no Imperial College London.



Vários programas de financiamento lançados

Não é de admirar que as nações estejam em uma corrida pela liderança tecnológica: a UE lançou um programa de financiamento de dez anos no outono de 2017 e está pagando um bilhão de euros por isso. O governo alemão está fornecendo outros 650 milhões para os próximos dois anos. O Congresso dos EUA solicitou US$ 1,3 bilhão em financiamento de pesquisa, e a China está investindo US$ 10 bilhões em um laboratório quântico nacional que deve ser concluído este ano.


A indústria privada também descobriu nas pequenas partículas uma grande esperança: nos últimos três anos, 650 milhões de dólares foram investidos em start-ups quânticas em todo o mundo, que seguem abordagens tecnológicas muito diferentes. Os suspeitos de sempre estão na disputa de qualquer maneira: Google, Amazon, Microsoft, IBM e Alibaba dão ao tópico prioridade estratégica máxima.

O laboratório de pesquisa na sede da Microsoft em Redmond, onde 260 pesquisadores e engenheiros trabalham no tema, também é dirigido por um ex-graduado da ETH: Donald Kossmann, também conhecido no cenário de startups suíças como cofundador da Teralytics.


Ele trouxe vários colegas da universidade para Redmond: "Temos a mesma liberdade para conduzir pesquisas aqui como na universidade, mas com mais recursos", diz Kossmann. "E a cultura de pesquisa é semelhante: queremos trabalhar em tecnologias que mudam o mundo."


Em Zurique, no ETH, 18 grupos de pesquisa com mais de 200 pesquisadores trabalham atualmente no campo da computação quântica. A ETH está envolvida em 6 dos 20 projetos do programa de financiamento da UE. Recentemente, começou a oferecer um mestrado em engenharia quântica, com 25 alunos matriculados atualmente.


O Google também quer trabalhar com as duas universidades técnicas: "A Suíça está bem posicionada sobre o assunto porque reconheceu a importância desde o início", diz Hidary e também elogia a Universidade de Genebra com seu spin-off ID Quantique: "Mas todo país deve agora redobra novamente seus esforços, também para formar especialistas suficientes. »



Os aplicativos ainda estão em sua infância

De acordo com um estudo do WEF, 36% de todas as empresas abordarão a questão da computação quântica nos próximos dois anos.


Até agora, as aplicações práticas ainda estão engatinhando: Mercedes e Volkswagen estão trabalhando com ajuda quântica para desenvolver baterias para carros elétricos. O grupo com sede em Wolfsburg também está pesquisando o controle de fluxos de tráfego: durante a conferência digital Web Summit em Lisboa em novembro passado, ele teve a rota mais rápida para os ônibus nos engarrafamentos no centro da cidade superlotada e o uso direcionado de ônibus adicionais calculados. Vários milhares de passageiros chegaram ao seu destino mais rapidamente durante o grande evento.


A VW agora quer desenvolver o sistema para a maturidade do mercado e tem como clientes as empresas de transporte. O banco de investimentos JP Morgan , em cooperação com a IBM, está pesquisando como computadores quânticos podem calcular riscos financeiros.


As empresas Merck, Honda, Barclays e Samsung também estão entre as primeiras a adotar. O objetivo principal é ganhar experiência com a programação de computadores quânticos, porque a arquitetura do software também é fundamentalmente diferente da dos computadores clássicos.


A ABB também está trabalhando em tecnologia quântica

“Atualmente não conheço nenhuma empresa que use computadores quânticos além do caráter de pesquisa”, diz Claus Herbolzheimer, chefe de Digital da consultoria Oliver Wyman: “Ainda estamos muito longe do uso regular em campos reais de aplicação. "


O pesquisador da Microsoft Kossmann também diz: "Hoje não há nenhum aplicativo sério que seja executado no computador quântico".

A ABB também está apenas no começo: o Chief Digital Officer Guido Jouret está reunindo uma pequena equipe de especialistas que eventualmente crescerá para 100 funcionários. “Primeiro temos que encontrar problemas adequados que possamos resolver com a tecnologia quântica”, diz ele. Jouret espera um dia acelerar dramaticamente o desenvolvimento de transformadores e isoladores com a ajuda do quantum.



Partículas subatômicas são realmente sensíveis

Um dia, porque no momento os problemas técnicos ainda são enormes. Por um lado, o computador quântico precisa ser resfriado a -273 graus durante a operação, uma temperatura mais baixa do que no espaço e apenas alguns miligraus acima do zero absoluto.


Além disso, o computador deve ser meticulosamente protegido contra luz, ruído, vibrações e tensões eletromagnéticas. "Nem toda empresa tem um ambiente assim em casa", diz Herbolzheimer.

As partículas subatômicas são realmente sensíveis: seu estado é muito fugaz e às vezes muda só de olhar para elas.


O fato de o avanço do Google ter sido alcançado com 53 qubits, embora o dispositivo realmente tivesse 54 disponíveis, também diz muito - uma das linhas de controle altamente sensíveis quebrou.


Pior ainda, os computadores quânticos cometem pequenos erros que se acumulam. Cada milésima a centésima operação está incorreta - "se você fizer muitos cálculos, isso é inaceitavelmente alto", diz Matthias Troyer, que mudou da ETH para o laboratório quântico da Microsoft em Redmond. Mesmo o melhor computador quântico de hoje só pode funcionar sem erros por cerca de 30 milissegundos.


No momento, as pessoas se dão repetindo a mesma operação milhares de vezes e identificando assim um erro de cálculo – um desperdício grotesco de capacidade computacional. “Levará anos para um computador quântico totalmente funcional”, diz Herbolzheimer.

A superioridade quântica do Google deve ser vista criticamente

A superioridade quântica anunciada pelo Google também deve ser vista de forma crítica. Por um lado, o problema matemático resolvido não tinha relevância prática, por outro lado, o computador foi especialmente projetado para a tarefa. "E um supercomputador convencional não precisaria de dez mil anos para isso, mas cerca de dois a três dias, se você abordar o problema de maneira um pouco mais inteligente", diz Riel, da IBM.


O chefe do Google, Sundar Pichai, comparou corretamente o evento ao primeiro voo dos irmãos Wright: durou apenas doze segundos e não teve utilidade prática. Mas ele mostrou que voar é possível e inaugurou a era da aviação.



Ainda há muito hype sobre o assunto

Portanto, ainda há muito hype sobre o tema. "Ainda não podemos resolver nenhum problema relevante mais rápido ou mais barato com a computação quântica do que com os computadores clássicos", diz Torsten Hoefler, que pesquisa o tópico para Microsoft e ETH: "Não faz sentido do ponto de vista comercial - temos não faço ideia de quando o primeiro caso de negócio aparecerá.»


Quando os computadores quânticos se tornarem tão onipresentes quanto os data centers de hoje, as opiniões serão tão diferentes quanto quando os carros autônomos dominarem as ruas: as estimativas variam de alguns anos a várias décadas.


“Para um computador quântico universalmente aplicável, 30 anos não é um período de tempo irreal”, diz John Preskill, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, que cunhou o termo “supremacia quântica”. Atualmente, a computação quântica parece ter características semelhantes a um qubit: está lá, mas também não está.