Quando o mundo bizarro da física quântica – onde um “gato” pode estar vivo e morto, e partículas conectadas a uma galáxia – se funde com a tecnologia de computador, o resultado é um poder sem precedentes para quem domina essa tecnologia primeiro.
Existe um lado obscuro óbvio. Imagine um mundo em que as contas bancárias on-line possam ser facilmente invadidas e roubadas. Mas esse poder também pode ser transformado em bom, permitindo que novos medicamentos sejam projetados com uma velocidade sem precedentes para curar doenças. Para se preparar para esse futuro, muitos países estão investindo bilhões para desbloquear o potencial do que é chamado de computação quântica. De olho no futuro, um grupo de pesquisadores do Fermilab, um laboratório de física de partículas em Batavia, Illinois, trabalhou com professores do ensino médio para desenvolver um programa para treinar seus alunos nesse campo emergente.
Este programa, chamado “Quantum Computing como um módulo do ensino médio”, foi desenvolvido em colaboração com jovens estudantes. Mas também é uma diversão perfeita para os entusiastas da ciência de qualquer idade que de repente têm muito tempo em suas mãos.
Este curso de treinamento on-line apresenta aos alunos conceitos quânticos, incluindo superposição, qubits, criptografia e muitos outros. Esses conceitos adicionais incluem medição quântica, emaranhamento e teletransporte; os alunos também aprenderão e como usar computadores quânticos para impedir hackers. O curso também é apropriado para estudantes de faculdades ou graduados da comunidade em áreas fora da física, como ciência da computação, engenharia ou matemática, bem como para um público alfabetizado em ciências. Ranbel Sun, um dos professores do curso, escreveu: “Foi ótimo trabalhar com alguns dos pesquisadores mais inteligentes da América para garantir que a ciência estivesse correta. Combinando seu conhecimento e nossa experiência de ensino, desenvolvemos um programa de aprendizado compreensível que une as diferença entre a mídia popular e os livros escolares “.
A computação quântica usa os princípios da física quântica, que foram desenvolvidos no início dos anos 1900. A física quântica descreve o pequeno reino dos átomos, onde as leis da natureza parecem ser muito diferentes do mundo que podemos ver. Nesse microcosmo, elétrons e partículas de luz chamadas fótons atuam simultaneamente como ondas e partículas – um aparente absurdo, mas que é bem aceito pelos cientistas.
Esse comportamento quântico não intuitivo foi explorado para desenvolver tecnologias poderosas, como os lasers e transistores que formam a espinha dorsal de nossa sociedade tecnológica. O físico vencedor do Prêmio Nobel Richard Feynman foi o primeiro a sugerir que os computadores poderiam ser construídos para explorar diretamente as leis da mecânica quântica. Se forem bem-sucedidos, esses computadores quânticos poderão resolver problemas incrivelmente importantes e difíceis, complexos demais para serem resolvidos até pelos supercomputadores modernos mais poderosos. No ano passado, o Google usou um computador quântico chamado Sycamore para resolver um problema considerado virtualmente insolúvel por computadores convencionais; um cálculo que levaria os supercomputadores mais poderosos 10.000 anos para terminar foi resolvido em apenas 200 segundos pela Sycamore.
O computador familiar em sua mesa usa uma vasta gama de objetos chamados bits para operar. Os bits são basicamente interruptores simples que podem ser ativados ou desativados, o que é matematicamente equivalente a uns e zeros. Os computadores quânticos dependem de qubits, que podem ser simultaneamente ativados e desativados ao mesmo tempo. Essa característica peculiar é comum no mundo quântico e é chamada de superposição: estar em dois estados ao mesmo tempo. O pesquisador Ciaran Hughes disse: “O mundo quântico é muito diferente do mundo familiar, o que leva a oportunidades não disponíveis no uso de computadores clássicos”.
Em 1994, Peter Shor inventou um algoritmo que revelou o poder da computação quântica. Seu algoritmo permitiria que computadores quânticos fatorassem um número enormemente mais rápido que qualquer algoritmo conhecido classicamente. A fatoração de números é importante porque o sistema de criptografia usado pelos computadores para se comunicar com segurança depende da matemática dos números primos. Números primos são números que são divisíveis apenas por um e por eles mesmos.
Em um algoritmo de criptografia padrão, dois números primos muito grandes são multiplicados juntos, resultando em um número ainda maior. A chave para quebrar o código de segurança é pegar o número grande e encontrar os dois números primos que foram multiplicados para torná-lo. Encontrar esses números primos é extremamente difícil para computadores comuns e pode levar séculos para ser realizado.
No entanto, usando o algoritmo quântico de Shor, encontrar esses fatores primos é muito mais fácil. Um computador quântico em funcionamento deixaria de ser seguro nosso método padrão de criptografia, resultando na necessidade de novos métodos de criptografia. Jessica Turner, pesquisadora do Fermilab, disse: “A computação quântica é uma maneira muito nova de pensar e será revolucionária, mas somente se pudermos desenvolver programadores com intuição quântica”.
Obviamente, qualquer nação ou estado capaz de decifrar códigos de criptografia terá uma enorme vantagem de informação. A competição para desenvolver computadores quânticos em funcionamento é a nova corrida espacial.
A computação quântica tem o potencial de anular a maneira como os computadores se comunicam com segurança: de serviços de saúde a serviços financeiros e segurança online. Goste ou não, o futuro é a computação quântica. Para colher plenamente as recompensas dessa revolução quântica, é necessária uma força de trabalho quântica fluente. Este novo programa é um passo muito útil para esse objetivo.
Publicado em 05/05/2020 07h49
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