Supercomputadores do futuro poderiam resolver problemas em campos tão diversos quanto química, ciência dos materiais, inteligência artificial e decodificação

NYT

Microsoft tem sede em Redmond, Washington
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Microsoft tem sede em Redmond, Washington

Os computadores modernos não são diferentes dos teares da revolução industrial: eles obedecem a instruções programadas para tecer padrões intricados. Com um tear, vê-se o resultado no tecido ou tapete. Com um computador, vê-se no monitor eletrônico.

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Agora um grupo de físicos e cientistas da computação financiados pela Microsoft está tentando levar a analogia dos fios entrelaçados ao que alguns acreditam que será o próximo grande salto em computação, a chamada computação quântica.

Se estiverem certos, a pesquisa poderia levar à criação de computadores muito mais poderosos do que os supercomputadores de hoje e que poderiam resolver problemas em campos tão diversos quanto química, ciência dos materiais, inteligência artificial e decodificação.

Eles se reuniram recentemente aqui para explorar uma abordagem à computação quântica que é baseada em "trançar" partículas exóticas conhecidas como anyons – que os físicos descrevem como "quasipartículas" que existiriam em apenas duas dimensões e não três, não devendo ser confundidos com o ânion (íon de carga negativa) – para formar os blocos fundamentais de um supercomputador que explora as estranhas propriedades físicas das partículas subatômicas.

O computador proposto pela Microsoft é desconcertante até mesmo pelos padrões do mundo em grande medida hipotético da computação quântica.

Bit versus Qubits

A computação convencional é baseada num bit que pode ser um ou zero, representando um único valor numa computação. Já a computação quântica é baseada em qubits, que representam a um só tempo os valores de zero e um. Se eles forem colocados num estado "emaranhado" – fisicamente separados, mas agindo como se estivessem conectados – com muitos outros qubits, eles podem representar um grande número de valores simultaneamente.

E as limitações do poder computacional existentes podem ser descartadas.

Na abordagem que a Microsoft persegue, descrita como "computação quântica topológica", o controle preciso dos movimentos de pares de partículas subatômicas enquanto serpenteiam entre si manipularia bits quânticos emaranhados. Embora o processo de entrelaçar partículas ocorra em escalas subatômicas, ele lembra os movimentos de um tecelão sobrepondo fios para criar um padrão.

Ao entrelaçar uma partícula em volta da outra, os computadores quânticos topológicos gerariam fios imaginários cujos nós e guinadas criariam um sistema computacional poderoso. O mais importante é que a matemática de seus movimentos iria corrigir os erros que até agora demonstraram ser o desafio mais intimidante enfrentado pelos projetistas do computador quântico.

Empresas e governos na corrida quântica

Proposta pelo físico Richard Feynman em 1982, a computação quântica tem sido em grande medida um assunto de interesse de acadêmicos, da Agência de Segurança Nacional (NSA) dos Estados Unidos e da Agência de Pesquisas em Projetos Avançados da Defesa do Pentágono.

Nos últimos anos, no entanto, a computação quântica chamou a atenção do mundo empresarial. A Microsoft desenvolveu pesquisa significativa no setor em 2006, criando o grupo de pesquisa Estação Q na Universidade da Califórnia, campus de Santa Barbara. Desde então, IBM, Northrop Grumman e BBN Technologies também começaram a pesquisar a computação quântica concentrados em tentativas anteriores de criar qubits baseados na mensuração do "spin" de um elétron ou da polarização de um fóton.

Embora os cientistas tenham criado qubits individuais, eles são extremamente frágeis, e criar os conjuntos de centenas ou milhares de circuitos necessários para construir um computador quântico útil tem se mostrado uma tarefa hercúlea.

Canadense D-Wave Systems tem apoio da Nasa, Google e Lockheed Martin
Divulgação
Canadense D-Wave Systems tem apoio da Nasa, Google e Lockheed Martin

A D-Wave Systems, empresa canadense que conta com apoio da Nasa, Google e Lockheed Martin, tem afirmado que conseguiu acelerar alguns problemas computacionais baseada no que descreve como "o primeiro computador quântico comercial".

Em junho, contudo, um grupo independente de cientistas afirmou no periódico "Science" não ter encontrado nenhuma prova do tipo de aceleração que seria esperada de um computador quântico nos testes com a máquina 503 qubit D-Wave. A empresa rebateu argumentando que os tipos de problemas que os cientistas avaliaram não seriam beneficiados com o projeto do D-Wave.

A abordagem topológica da Microsoft costuma ser vista como a mais arriscada pelos cientistas porque a exótica partícula anyon necessária para gerar qubits ainda não teve a existência comprovada.

Majorana

Isso pode mudar em breve. A empresa vem gastando pesado e colabora com dez de quase 20 grupos de pesquisa acadêmicos explorando a partícula subatômica conhecida como férmion de Majorana, cuja hipótese foi oferecida há muito tempo. Além de ser um avanço científico, provar a existência do Majorana significaria que ele provavelmente poderia ser utilizado para formar qubits para essa nova forma de computação quântica.

A Microsoft apoiou a pesquisa, liderada pelo físico Leo Kouwenhoven no Instituto Kavli de Nanociência da Universidade Delft de Tecnologia, na Holanda, que em 2012 produziu a prova mais convincente de que a partícula prevista há tanto tempo existe. "Eles fizeram algo muito especial", disse Charles M. Marcus, físico da Universidade de Copenhague. "É uma comprovação da nossa pesquisa e não uma declaração a respeito de dólares, é uma afirmativa sobre a comunidade".

Seu laboratório agora está cultivando nanofios em escala molecular que funcionarão como trilhos de trem unidimensionais, possibilitando controlar o movimento de férmions em torno um do outro. Eles esperam conseguir criar redes de nanofios para movimentar os férmions como trens num pátio de manobra de ferrovias.

O matemático Michael Freedman e os físicos Sankar Das Sarma e Chetan Nayak contam com apoio da Microsoft em suas pesquisas em computação quântica
Emily Berl/The New York Times
O matemático Michael Freedman e os físicos Sankar Das Sarma e Chetan Nayak contam com apoio da Microsoft em suas pesquisas em computação quântica

Conjuntos dessas partículas que podem ser controlados com precisão dentro de materiais exóticos em temperatura extremamente baixa podem ser empregados para construir qubits no modelo de computação topológica proposto pelo matemático Michael Freedman e os físicos Chetan Nayak e Sankar Das Sarma em 2005. Se esse tipo de qubit for confirmado, ele terá resistência muito maior a erros do que outros tipos de qubits forjados a partir de elétrons, fótons e núcleos atômicos.

A Microsoft começou a apoiar a iniciativa depois que Freedman, ganhador da medalha Fields e da MacArthur Fellowship, o "prêmio do gênio", e muito conhecido pelo trabalho no campo matemático da topologia, abordou Craig Mundie, um dos principais executivos da empresa, e o convenceu de que havia um novo caminho para a computação quântica baseada nas ideias propostas em 1997 pelo físico Alexei Kitaev.

Mundie afirmou que a ideia lhe ocorreu como uma espécie de aposta que a companhia poderia estar procurando. "É difícil encontrar coisas que sejam um problema para 20 anos e que valeriam a pena, mas esse me pareceu se encaixar nessa categoria".

Os pesquisadores são rápidos em reconhecer que ainda nem sequer fizeram um protótipo funcional do elemento básico de seu sistema, mas a Microsoft está trabalhando num protótipo para o hardware caso o esforço para construir qubits dê certo. Burton Smith, renomado projetista de supercomputadores que trocou o fabricante Cray pela Microsoft em 2005 passou a chefiar o novo grupo de projeto de equipamento quântico. Em junho, ele convidou Douglas M. Carmean, pesquisador da Intel, que dirigia o projeto de vários microprocessadores da fabricante, para se juntar ao projeto.

Durante algum tempo, muitos acreditavam que os computadores quânticos somente seriam úteis para fatorar números imensos – bom para os decodificadores da NSA. Porém, novos algoritmos para máquinas quânticas começaram a emergir em áreas tão variadas quanto a busca por grandes quantidades de dados ou pesquisa de medicamentos. Agora, muitos cientistas acreditam que os computadores quânticos poderiam atacar novos tipos de problemas que ainda não foram definidos.

Quando Mundie perguntou a Freedman o que poderia fazer com um computador quântico funcional, este respondeu que a primeira coisa para a qual o programaria seria para projetar uma versão melhorada de si mesmo.

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