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Google e a Supremacia Quântica

É um fato que computadores ampliaram exponencialmente nosso poder de processamento de dados. Cálculos que levariam semanas e até meses quando realizados por um ser humano são efetuados em segundos. Agora, e se um novo tipo de computador conseguisse calcular em segundos o que um computador “normal” levaria 10.000 anos para processar? Bom… esta é a história do Google e a Supremacia Quântica.

Supremacia o quê?

O Google publicou hoje na renomada revista científica Nature um estudo sobre o uso de um processador quântico que eventualmente atingiu a Supremacia Quântica. Para entendermos o significado desta realização vamos precisar aqui de um pouco de teoria computacional. Não dói… prometo a você.

Os computadores da atualidade são construídos baseados em um paradigma onde a informação é processada por meio de dados binários. Isto permite que o processador use a corrente elétrica (ou a ausência dela) para estabelecer um padrão binário de modo que cada sinal represente um estado.

Traduzindo para o português, imagine uma pergunta cuja resposta seja apenas “sim” ou “não”. Por exemplo, “Você acredita em fantasmas?”. Esta pergunta pode ser respondida em primeira análise afirmativamente ou negativamente.

Lâmpadas e Dedos

Imagine agora que você possa responder perguntas deste tipo com um sinal luminoso. Você pode adotar uma legenda, onde a lâmpada acesa significa “sim” e a lâmpada desligada significa “não”.

Para mais respostas, mais lâmpadas!

Este sistema é bem simples e direto. Para cada sim, uma luz ligada… para cada não, a luz desligada. O problema é que este tipo de comunicação acaba sendo muito limitante… Você não conseguiria responder uma pergunta do tipo “Qual é o seu estado civil?” usando apenas uma lâmpada.

Uma solução plausível para esta demanda, seria a adição de mais lâmpadas. Isto nos permite mais respostas. Pensando em nosso exemplo, poderíamos ter o seguinte padrão:

  • Lâmpada A DESLIGADA + Lâmpada B DESLIGADA = Solteiro
  • Lâmpada A DESLIGADA + Lâmpada B LIGADA = Casado
  • Lâmpada A LIGADA + Lâmpada B DESLIGADA = Separado
  • Lâmpada A LIGADA + Lâmpada B LIGADA = Viúvo

Perceba que o conjunto de lâmpadas aumenta nosso repertório de respostas. Se quisermos aumentar ainda mais as respostas possíveis, podemos aumentar o número de lâmpadas.

Não vou torturar você com teoria matemática, mas saiba que o uso conjunto destas lâmpadas aumenta exponencialmente nosso leque de respostas. Simples assim:

  • 1 lâmpada = 2 respostas
  • 2 lâmpadas = 4 respostas
  • 3 lâmpadas = 8 respostas
  • 4 lâmpadas = 16 respostas

Regra geral: para n lâmpadas = 2n respostas

A lógica binária

É possível transformar toda esta pataquada em números. Ao invés de lâmpadas, podemos associar um número para resposta. Um cidadão chamado George Boole enunciou toda esta história antes mesmo do surgimento do computador moderno.

Em seu estudo, publicado em 1847 sob o título “A análise matemática da lógica”, Boole enunciou os princípios daquilo que anos mais tarde receberia o nome de Álgebra Booleana. Desta forma, para nossa história das lâmpadas, podemos convencionar o seguinte:

Estados de energia representando dados
Estados de energia representando dados

Em algum momento, alguém percebeu que estes estados “ligado” ou “desligado” poderiam ser representados com um simples dedo indicador. Ou em bom latim… com um dígito.

Peraí… um dígito?

É… um dígito. Um dígito que pode representar um estado da informação. Do inglês, um binary digit. Ou melhor, um bit.

E o que diabos é um bit?

Eis o paradigma atual do processamento de dados… os dados são processados em bits… a menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida por um sistema computacional moderno.

Aliás, os sistemas modernos utilizados hoje em geral trabalham com dados em blocos de 64 bits. Sabe o que isso significa?

18.446.744.073.709.551.616 possibilidades para cada bloco de informação processado

E se você ainda não se convenceu que o número é grande o suficiente, vamos pensar que os processadores atuais possuem núcleos trabalhando em paralelo… Dois, quatro, seis, oito ou mais núcleos. Cada um deles processando blocos de 64 bits bilhões de vezes por segundo.

Definitivamente, não vou colocar os números aqui, mas é um fato… o número é bem grande.

Dos bits aos qubits

Apesar da capacidade exponencial dos computadores atuais, eles também têm limitações para questões complexas. Acredite… algumas tarefas de processamento exigem supercomputadores com milhares de processadores trabalhando simultaneamente… e mesmo assim, algumas tarefas são impossíveis de serem processadas em um tempo razoável.

Uma lâmpada acesa e apagada… ao mesmo tempo?

No distante ano de 1981, o prestigiado físico teórico Richard Feyman apresentou a ideia de usarmos os princípios da mecânica quântica para a criação de um computador quântico.

A mecânica quântica é um ramo da física que foi amplamente estudado por nomes históricos importantes: Einstein, Bohr, Planck, Heinsenberg (fãs de Breaking Bad vão ao delírio!), Neumann… entre outros.

A teoria é bem complexa, mas aqui não somos físicos, então posso me dar a liberdade criativa para resumir a história de forma bem simplista…

E se a lâmpada pudesse estar acesa e apagada ao mesmo tempo?

A ideia é que a lâmpada possa assumir diferentes estados entre apagado e acesa, ao mesmo tempo (como uma luz dimerizada).

A lâmpada acesa, apagada... apagada e acesa... ora, ora, ora.
A lâmpada acesa, apagada… apagada e acesa… ora, ora, ora.

O fenômeno tem nome: superposição. Em teoria, um computador quântico conseguiria processar todas as possibilidades deste bit quântico (chamado de qubit) ao mesmo tempo.

E quanto mais qubits, maior o processamento. Enquanto um bit expressa dois estados possíveis, um qubit pode expressar quatro estados ao mesmo tempo.

Você quer mesmo fazer as contas?

E então, a Supremacia Quântica

Até então, o desenvolvimento de um computador quântico era algo extremamente teórico. Muita gente importante ligada à tecnologia vem empenhando esforços na criação de um computador que possa realizar o tal processamento quântico.

Isto significaria transformar o intangível em tangível. Algo como calcular em segundos, o que um computador tradicional levaria milênios para executar.

E no momento em que um computador atingir esta capacidade, diremos que ele atingiu a Supremacia Quântica.

Guarde este nome… Sycamore

Este foi o grande feito da Google… desenvolver um processador quântico capaz de realizar uma operação matemática de grande complexidade mesmo para sistemas atuais.

E o monstro atende pelo nome de Sycamore. Um processador capaz de operar lotes de dados com 53 qubits.

Sycamore... o monstrinho quântico da Google
Sycamore… o monstrinho quântico da Google

De acordo com os resultados apresentados pela pesquisa que foi publicada hoje, o Sycamore conseguiu realizar o processamento em três minutos e 20 segundos, uma operação matemática que demoraria 10 mil anos para ser solucionada em uma máquina tradicional.

A computação quântica quebra inúmeros paradigmas da computação clássica, na qual podemos dividir os problemas em “problemas tratáveis” e “problemas intratáveis”.

Existe uma frase atribuída ao bioquímico George Wald (1906-1997) que trata sobre a evolução e o tempo:

“Num intervalo de tempo suficientemente longo, o impossível se torna possível, o possível, provável, e o provável, virtualmente certo. Basta esperar: o tempo, por si só, realiza milagres”

George Wald, bioquímico premiado com o Nobel de medicina em 1967

O feito realizado pelo Sycamore fez algo muito importante… diminuiu consideravelmente o intervalo de tempo para a viabilidade de algo que era intangível.

E que agora pode ser tangível…

E agora?

A supremacia quântica foi atingida quando o chip do Google desvendou o funcionamento de um gerador de números aleatórios, dispositivo que gera informações em forma de “zeros” e “uns” que supostamente não podem ser previstas.

É como tentar prever os resultados de fazer cara e coroa diversas vezes. É uma ferramenta muito usada por games, por exemplo.

Mas vamos devagar…

Apesar de toda empolgação, temos que lembrar que o feito realizado pelo Google foi feito em condições experimentais em um ambiente extremamente controlado. E ele está longe de ser considerado um computador viável para aplicações práticas.

A estrutura física para funcionamento do Sycamore
A estrutura física para funcionamento do Sycamore

Isso não invalida o feito do Sycamore. Entretanto, a IBM – que também trabalha no desenvolvimento de um computador quântico – questiona os resultados e a metodologia adotada. Para a big blue, o processador Sycamore resolveu um problema teórico específico criado artificialmente.

E uma verdadeira máquina que atingisse a supremacia quântica deveria ser generalista. Isto é, capaz de resolver tarefas diferentes, como um computador tradicional.

Outro ponto importante, é que será pouco provável que um computador quântico seja utilizado em tarefas domésticas. As aplicações serão muito provavelmente específicas para grandes clientes.

Sendo assim…

Na computação clássica, postula-se a muito tempo que qualquer modelo computacional racional proposto pode ser simulado de forma eficiente por um máquina de Turing (o padrão proposto por Alan Turing para um sistema computacional). Ao que parece, o sistema proposto pelo Google quebrou este paradigma.

E se isto se confirmar, conforme o próprio estudo conclui, estamos apenas a um algoritmo criativo de uma aplicação prática a curto prazo.

O que você achou da supremacia quântica alcançada pelo Google e o seu Sycamore? Deixe suas opiniões nos comentários!

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