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Sinais

Computação Quântica

A próxima geração da tecnologia computacional

O advento da computação quântica representa a próxima grande transformação tecnológica, impulsionando mudanças econômicas e sociais abrangentes. Segue uma breve introdução ao que se espera da tecnologia.

A Próxima Geração da Tecnologia da Computação

A computação quântica (QC) é a próxima geração da tecnologia computacional, que utiliza a física quântica como base.

Enquanto a computação clássica se baseia no bit, sua unidade básica, a computação quântica se baseia no qubit — ou em qualquer valor entre qubits, ou em qualquer combinação deles.

Enquanto um bit existe de acordo com uma lógica binária — ou é 0 ou 1, desligado ou ligado — um qubit pode existir tanto no estado 0 quanto no estado 1 ao mesmo tempo, em um fenômeno conhecido como "superposição".

O "entrelaçamento" é outro fenômeno fundamental que confere poder à computação quântica. Quando dois ou mais qubits estão emaranhados, eles atuam como um único sistema, muito parecido com engrenagens emaranhadas em uma caixa de câmbio, de modo que uma mudança em um qubit altera todos os outros com os quais ele está emaranhado. Isso significa que uma única operação pode afetar simultaneamente os estados de muitos qubits.

O resultado é um novo tipo de computação surpreendentemente mais poderoso.

Poderá haver entre 2.000 e 5.000 computadores quânticos em todo o mundo até 2030. Em 2018, eram menos de uma dúzia.

Computadores que são exponencialmente mais poderosos

Um computador quântico pode resolver um problema que exigiria um cluster de 512 GPUs.

A computação quântica tem o potencial de resolver problemas exponencialmente mais complexos do que aqueles que a computação clássica consegue resolver.

Um computador quântico de 1.000 qubits (previsto para chegar em 2 a 3 anos) seria capaz de operar simultaneamente em10³⁰¹ (ou seja, um 1 seguido de 301 zeros) diferentes chamados "estados de informação".

Neste contexto, "estado" significa uma possível solução para um determinado problema. A maioria das soluções possíveis estará errada, portanto, quanto mais estados pudermos explorar, maiores serão nossas chances de encontrar a melhor solução.

Duas arquiteturas, dois períodos de tempo

Os recozedores quânticos são especializados em tarefas de otimização. Uma companhia aérea poderia usar um computador desse tipo para preparar uma programação ideal de rotas de aeronaves, que minimize o consumo de combustível e, ao mesmo tempo, garanta que todos os horários dos passageiros sejam cumpridos.

Eles começarão a ter impacto comercial em 2 a 5 anos.

 

Os computadores quânticos baseados em portas lógicas são universais, o que significa que serão capazes de resolver uma ampla gama de problemas. No futuro, uma empresa farmacêutica poderá usar um desses dispositivos para simular novos compostos de medicamentos, explorando os efeitos de milhões deles sem precisar sintetizá-los e testá-los.

Eles começarão a ter impacto comercial em 7 a 10 anos.

Tecnologias Quânticas

qubits supercondutores

Uma das principais plataformas tecnológicas para o desenvolvimento de computadores quânticos. A IBM, o Google, a D-Wave e outras empresas estão colocando isso em prática. Os sistemas supercondutores normalmente operam a temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto, a fim de criar as condições adequadas para a computação quântica.

Redes quânticas

As redes quânticas permitem a transmissão de informações quânticas emaranhadas por meio de canais de comunicação. São uma das tecnologias que viabilizam a QKD e permitirão tanto maior segurança quanto maior largura de banda.

Distribuição quântica de chaves (QKD)

Um método de comunicação seguro que implementa um protocolo criptográfico envolvendo componentes da mecânica quântica. Permite que duas partes criem uma chave secreta aleatória compartilhada, conhecida apenas por elas, chave que pode então ser usada para criptografar e descriptografar mensagens. Promete ser invulnerável a espionagem ou ataques do tipo "homem no meio".

sensor quântico

Um dispositivo que funciona detectando variações na microgravidade usando os princípios da física quântica, que se baseia na manipulação da natureza em nível submolecular. A detecção quântica utiliza propriedades da mecânica quântica, como emaranhamento quântico, interferência quântica e compressão de estados quânticos, para superar os limites atuais da tecnologia de sensores e contornar o princípio da incerteza.

qubits de íons quânticos

As armadilhas de íons quânticos são outra plataforma tecnológica que está sendo usada para desenvolver computadores quânticos. Consiste em usar a força eletromagnética para confinar íons no espaço livre. A lonQ é a principal defensora dessa abordagem.

Arquiteturas de recozimento

Uma arquitetura de recozimento é mais simples, baseada na ideia de encontrar o estado de energia mais baixo no sistema quântico. Esse estado de energia mais baixo corresponde à solução ótima de um problema de otimização.

Arquiteturas de portão

As arquiteturas de portas lógicas utilizam o equivalente quântico das portas lógicas que servem como blocos de construção das unidades centrais de processamento baseadas em silício. Dado esse fato, um computador quântico baseado em portas lógicas pode, pelo menos em teoria, computar o mesmo conjunto de problemas que um computador tradicional.

Fotônica

Os sistemas fotônicos dependem de pulsos de luz e polarização da luz para criar seus qubits. Ao contrário da maioria das outras tecnologias de qubits, eles têm a vantagem de operar em temperatura ambiente, mas tendem a funcionar muito mais lentamente do que os qubits supercondutores. A Xanadu é a empresa líder na busca por uma abordagem fotônica para o controle quântico.

Criptografia pós-quântica (PQC)

Criptografia pós-quântica é o termo coletivo para novas abordagens de criptografia de chave pública que são resistentes a computadores quânticos. O processo de seleção dos algoritmos de PQC está sendo gerenciado pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). A maioria das grandes organizações está seguindo o exemplo do NIST.

Computação quântica na nuvem

Hardware

Normalmente, as empresas que precisam de controle de qualidade não possuem seus próprios computadores. A ideia de computadores quânticos instalados localmente não é viável atualmente, por uma série de razões fundamentais:

  • Dispositivos quânticos são caros.
  • Seu funcionamento é complexo e, portanto, caro.
  • Considerando a frequência com que os dispositivos quânticos recebem atualizações de seus fabricantes, um único dispositivo se tornaria obsoleto rapidamente.

Em vez disso, os usuários finais de computadores quânticos acessam-nos por meio de serviços em nuvem.

Existem atualmente duas abordagens para o fornecimento de controle de qualidade (QC) na nuvem:

Prós e contras das duas abordagens

Nuvem proprietária

Nessa abordagem, os fornecedores oferecem acesso aos seus próprios dispositivos de controle de qualidade por meio de seus próprios serviços em nuvem. A IBM é a empresa mais importante a seguir essa abordagem, oferecendo controle de qualidade por meio de sua IBM Q Network.

Pontos fortes

Integração mais estreita entre a plataforma de nuvem existente do provedor e a plataforma quântica. Latência de rede reduzida entre uma plataforma de nuvem clássica e a plataforma quântica, o que será uma vantagem para aplicações de baixa latência (como detecção de fraudes).

Pontos fracos

Seleção limitada de opções de back-end para computação quântica

Possibilidade de modelos comerciais mais restritivos

Perigo de dependência de fornecedor

Nuvem pública

Nessa abordagem, os principais serviços em nuvem fornecem acesso a dispositivos de controle de qualidade de fornecedores terceirizados. O Amazon Braket, por exemplo, oferece acesso à D-Wave, Rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ e Xanadu, com mais empresas a caminho. O Microsoft Azure Quantum oferece acesso a Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO e Toshiba SQBM+.

Pontos fortes

Utiliza os serviços de acesso e faturamento existentes do provedor de nuvem, bem como serviços compartilhados similares.

Oferece uma porta de entrada fácil para o acesso a computadores quânticos, geralmente com um modelo de "pagamento conforme o uso".

Fornece acesso a uma ampla variedade de computadores quânticos, permitindo a comparação entre plataformas e a identificação do dispositivo apropriado para o problema em questão.

Pontos fracos

Tendência a uma maior latência no acesso ao dispositivo quântico devido a viagens de ida e volta na rede e enfileiramento.

Isso, por sua vez, cria problemas em aplicações como detecção de fraudes e negociação de alta frequência, que exigem tempo real ou baixa latência, a ponto de tais aplicações se tornarem inviáveis.

 

 

No futuro, os provedores de nuvem poderão hospedar dispositivos quânticos em seus data centers, juntamente com seu hardware tradicional de CPU e GPU, minimizando assim os efeitos da latência e possibilitando uma nova classe de aplicações híbridas quântico-clássicas de alto desempenho e baixa latência, como detecção de fraudes e negociação de alta frequência.

Software/APIs

APIs e SDKs associados tendem a ser de código aberto e, com algumas exceções, escritos na linguagem de programação Python.

Normalmente, cada fornecedor líder de controle de qualidade oferece suas próprias APIs para dar suporte a seus dispositivos ou serviços.

Alguns fornecedores, como a IonQ, decidiram dar suporte às APIs de outros fornecedores em vez de desenvolver suas próprias APIs proprietárias. O IonQ, por exemplo, oferece suporte ao Qiskit da IBM e ao Cirq. Essa abordagem permite que algoritmos quânticos escritos em Qiskit para uma máquina quântica da IBM, por exemplo, sejam mais facilmente adaptados para serem executados em um dispositivo IonQ.

O futuro reserva um pequeno número de APIs padronizadas, fornecidas ou exigidas pelos grandes provedores de tecnologia/nuvem (IBM/Amazon/Microsoft), às quais os fornecedores de hardware de computação quântica se basearão.

Aplicações em serviços financeiros

À medida que buscam a liderança em controle de qualidade, as instituições financeiras provavelmente descobrirão que o desenvolvimento e a retenção de habilidades e talentos se tornarão um campo de batalha crucial. Os líderes na aplicação de tecnologias quânticas verão sua segurança, eficiência operacional e eficácia de produtos crescerem significativamente, enquanto os retardatários verão esses aspectos de seus negócios serem prejudicados.

Embora não esperemos que os computadores quânticos sejam suficientemente poderosos para decifrar os criptossistemas atuais baseados em PKI por pelo menos 10 a 12 anos, há muito trabalho a ser feito para prepará-los para combater as ameaças quânticas.

Um efeito catalisador em outros setores

O controle de qualidade tem aplicações potencialmente transformadoras em diversas outras áreas.

Descoberta de medicamentos

A computação quântica aprimorará o processo de descoberta de medicamentos, acelerando a identificação e a simulação de moléculas. Isso permitirá transferir experimentos de laboratórios úmidos para computadores, e os pesquisadores terão acesso a combinações químicas que a computação convencional levaria décadas para desenvolver.

Segurança cibernética

Os computadores quânticos representam uma ameaça à espinha dorsal da segurança das redes atuais — a criptografia de chave pública RSA. Mas a tecnologia quântica também possibilitará novas formas de comunicação, ainda mais seguras.

Logística

O controle de qualidade transformará nossas cadeias de suprimentos, lidando com volumes de dados sem precedentes e complexos, relacionados à capacidade de produção, geografia e infraestrutura, padrões climáticos, rotas, capacidade de rotas ferroviárias e marítimas, e muito mais.

Automotivo

A QC se aproximará cada vez mais de um ecossistema viável para veículos autônomos. A inteligência artificial e o aprendizado de máquina impulsionados pela computação quântica acelerarão o processo de aprendizagem dos algoritmos necessários. A classificação de imagens e a detecção de objetos 3D também se beneficiarão do controle de qualidade.

Simulação

O QC proporcionará novas capacidades na modelagem da realidade. Poderemos prever melhor eventos climáticos extremos, mapear as mudanças climáticas, prever como o desenvolvimento urbano afetará as emissões, projetar o crescimento populacional — e muito mais.

À medida que o controle de qualidade ganha força, naturalmente veremos casos de uso surgirem em diversos setores.

TECNOLOGIA EMERGENTE

Os jogadores em QC agora

Diversos fornecedores de hardware estão criando seus próprios computadores quânticos, utilizando uma variedade de fenômenos físicos subjacentes e implementando tanto abordagens universais baseadas em portas lógicas quanto a abordagem de recozimento quântico. Isso inclui:

Além dos fornecedores de hardware, cada um dos quais normalmente oferece suas próprias bibliotecas de software (por exemplo, IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), também existem vários fornecedores de software quântico dedicados exclusivamente a essa área. Entre eles:

Crescimento do mercado de controle de qualidade

2016

US$ 89 milhões

mercado global de computação quântica

2025

US$ 949 milhões

mercado global de computação quântica (projetado)

Taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 30% de 2017 a 2025

Grande potencial pela frente

Os computadores quânticos serão adequados para determinadas tarefas. A curto prazo, os computadores quânticos se destacarão na resolução de problemas numéricos complexos e coexistirão com os computadores clássicos existentes, possibilitando sistemas híbridos quântico-clássicos. A hibridez é importante porque, enquanto a computação clássica fornece resultados objetivos e objetivos, os computadores quânticos fornecem resultados em distribuições de probabilidade, gerando conjuntos de respostas que podem exigir filtragem por meio de computadores clássicos. Num futuro mais distante, o QC tem o potencial de ser transformador. Isso trará grandes melhorias em certas áreas, dando-nos os meios para criar novos medicamentos revolucionários, otimizar o funcionamento de nossos mercados financeiros, proteger nossas redes, compreender sistemas complexos, desde as ecologias da Terra até as redes globais de oferta e demanda — e muito mais. Quanto aos seus efeitos máximos, o horizonte está aberto. Mudanças significativas estão a caminho nos níveis social e econômico: assim como a computação clássica, a computação quântica será profundamente transformadora em termos de como vivemos. Mas a história ainda está por ser escrita, e as próximas décadas testemunharão o que nossas mentes mais brilhantes podem fazer com essa nova e poderosa ferramenta.