A tecnologia utilizada pelos computadores tem evoluído a um ritmo exponencial. Mas esta evolução não pode prosseguir indefinidamente devido aos limites físicos para a computação. O paradigma teórico do computador digital é a Máquina Universal de Turing. A máquina de Turing exige componentes básicos que possam assumir dois estados diferentes, 0 e 1, sobre os quais são realizados as operações lógicas que constituem a computação. Mas estes componentes hoje em dia têm dimensões que se aproximam das centenas de átomos e parece que nos estamos a atingir os limites do fisicamente possível…
No início da década de 80 foi proposto que à medida que os componentes dos computadores se aproximassem da escala atómica se tirasse partido das leis da mecânica quântica. Era uma sugestão meramente teórica…Até que surgiu um matemático, Peter Shor, que anunciou ter descoberto um algoritmo quântico para o problema da factorização de números inteiros. Este resultado puramente matemático impulsionou muitos físicos teóricos e experimentais a dedicar-se à ciência da computação e os cientistas da computação foram a correr aprender mecânica quântica…
Em que consiste a computação quântica e em que difere da computação clássica?
Os nossos computadores atuais que não são mais que a implementação do computador teórico de Turing funcionam do seguinte modo: compõe-se de um conjunto de registos que podem assumir dois estados distintos, 0 e 1 – bits, abreviatura de binary digit – e de uma máquina que executa operações lógicas elementares sobre esses registos, alterando o estado de cada um. Uma computação consiste em fornecer à máquina a informação de entrada, consistindo numa cadeia de bits, na operação da máquina sobre essa cadeia e na leitura da nova cadeia assim produzida.
A computação quântica tira partido da estranha natureza do mundo quântico.
De acordo com a Mecânica Quântica um qualquer sistema quântico (átomo, electrão…) não existe só por si num estado bem definido. Um estado quântico pode existir em vários estados quânticos ao mesmo tempo. Esta é a base do famoso paradoxo de Schrodinger em que um gato pode estar simultaneamente morto e vivo antes do acto de medição/observação.
Este estranho estado de coisas é a base da computação quântica. Suponhamos que temos um sistema quântico com dois estados possíveis. Chamamos a estes estados quânticos 0 e 1. O estado quântico do sistema será uma soma (sobreposição) de estados 0 e 1. Se interpretarmos este sistema como representado 1 bit de informação chegaremos a uma estranhíssima conclusão: ao contrário do que acontece a uma máquina de Turing em que umº bit tem o valor 0 ou 1 um bit quântico (ou qbit) pode ter ao mesmo tempo os valores 0 e 1!
É esta a fonte de poder da computação quântica: o facto de os qbit poderem existir em estado de sobreposição faz que se possam comportar como vários processadores em paralelo. Por exemplo, suponhamos que queremos testar uma propriedade para todos os inteiros menores do que 2^N. Classicamente representando esses números por N bits testamos a propriedade para cada um deles separadamente, repetindo o teste 2^N vezes. Mas quanticamente N qbits podem existir em todos os 2^N estados simultaneamente. Assim podemos testar a propriedade para todos os 2^N números de uma única vez.
Agora se percebe porque o algoritmo de Shor levantou tanto furor. É tão difícil factorizar um inteiro que este facto é usado para encriptar as mensagens em código(estão na base dos códigos dos nossos cartões multibanco, por exemplo).Mas Shor encontrou o algoritmo quântico para o factorizar e adeus segurança! Claro que os militares logo avançaram com milhões de dólares logo que ouviram falar no teorema de Shor. E ainda há quem afirme que a matemática nada tem a ver com a realidade! O que é a realidade? Mas isso será assunto para futuros post, e eu não me quero afastar do assunto…
Mas neste momento a tecnologia da computação quântica ainda está no seu ínicio: só existem neste momento computadores quânticos com 1 qbit. O desafio está em construir sistemas quânticos com vários qbits. Neste momento dois grupos, um do MIT e outro de Oxford, estão construir computadores com dois ou três qbits. E para factorizar o inteiro 15 serão necessários pelo menos dez qbits…
E só para se ter uma ideia do poder da computação quântica avanço este número que retirei da revista Scientific American: com um computador quântico com cerca de 50 qbits factorizar um número de 400 algarismos demoraria cerca de 1 ano, em comparação o supercomputador mais rápido para executar a mesma tarefa levaria um tempo superior à idade do universo!
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