COPPE pesquisa os computadores do futuro

Os amantes da informática, que sonham com computadores cada vez mais velozes, contam com um grande aliado da ciência: a computação quântica. Considerada uma das áreas mais promissoras da atualidade, esta tecnociência tornará os computadores capazes de processar em segundos uma operação que poderia demorar décadas, se realizada de modo tradicional. É nesta área que o físico Jean Faber desenvolve sua pesquisa de pós-doutorado na COPPE.

A computação que usamos, hoje, é baseada no método desenvolvido nos anos 30 por Alan Turing, no qual a informação é representada num código binário – 0 e 1 – denominados bits. Neste método estão baseados os chamados computadores universais, ou seja, aqueles que temos em casa e que realizam múltiplas e virtualmente infinitas operações como escrever um texto, acessar a internet e até mesmo lançar um foguete espacial. “A diferença é que nos computadores atuais um bit ou é ‘0’ ou é ‘1’. Contudo, essa restrição não se estende ao mundo quântico. No computador quântico, um bit pode ter o valor ‘0’ e ‘1’ ao mesmo tempo. Por isso são chamados de qubits ou q-bits (quantum bits)”, explica Faber, que trabalha em um projeto de cooperação entre a COPPE e o Instituto de Física da UFRJ, sob a coordenação dos professores Luiz Pinguelli Rosa e Luiz Davidovich.

Compreendendo o universo quântico

No momento, a Física divide o universo em três partes: o mundo do muito grande, representado por galáxias, buracos negros, entre outros, descrito pela Relatividade Geral de Einstein; o mundo médio, que representa o nosso mundo cotidiano, descrito essencialmente pela chamada física clássica, a que aprendemos no colégio; e o mundo do muito pequeno, onde se encontram os fótons (partículas de luz), os elétrons e os átomos, descritos pela física quântica com base em novas regras. “No mundo quântico, por exemplo, é permitido a um único elétron ocupar ‘dois lugares ao mesmo tempo’. Se nós fôssemos muito pequenos, a ponto de sofrer os efeitos do universo quântico, poderíamos dormir no quarto e, simultaneamente, trabalhar na sala. Esse estranho efeito é conhecido como superposição quântica”, afirma o pesquisador da COPPE.

Para tentar entender como funcionarão os novos computadores, é preciso antes compreender a natureza singular do mundo quântico. Afinal, as leis que regem o mundo quântico não são as mesmas do mundo clássico. Segundo Faber, as diferenças básicas entre eles estão em dois efeitos: o da superposição, que exprime a capacidade de um elemento quântico estar em dois estados ao mesmo tempo; e o do emaranhamento, que é quando dois componentes quânticos se relacionam intimamente e qualquer alteração feita em um deles interfere diretamente no outro. “Este último efeito foi proposto na década de 30 por Einstein, Podolsky e Rosen como uma tentativa de apontar problemas na teoria quântica. Eles mostraram que existe uma forma de preparar dois elétrons, por exemplo, de tal maneira que a ligação entre eles fique tão forte que mesmo deixando um elétron na Terra e levando o outro para Júpiter, ainda assim, um ‘sentirá’ o outro instantaneamente. Na verdade, quando objetos quânticos estão emaranhados eles se comportam como um só. Einstein achava que este efeito violava a teoria da relatividade, porém, mais tarde revelou-se que esta é apenas uma peculiaridade do mundo quântico, onde outras regras são permitidas”, explica Faber.

Os primeiros computadores usavam válvulas, atualmente funcionam com transistores eletrônicos. A próxima etapa, segundo Jean, consistirá no uso de propriedades quânticas, que operam de forma essencialmente diferente de tudo o que já foi feito. Segundo Faber, a grande diferença de um computador quântico em relação aos atuais é que, devido ao efeito de superposição, um bit pode agora ter o valor ‘0’ e ‘1’ ao mesmo tempo. Associando esse efeito ao emaranhamento, mostrou-se que algumas operações da computação podem ser realizadas com um tempo muito mais rápido.

Longe e perto de se tornar realidade

Embora pareça tema de ficção científica, a computação quântica não é algo tão distante. No momento, duas empresas americanas já fabricam equipamentos “geradores de números aleatórios quânticos” que podem ser acoplados aos computadores atuais. Trata-se de um avanço importante, já que os computadores clássicos não são capazes de gerar números totalmente aleatórios. Após certo tempo, os números começam a se repetir.

Mesmo convencidos do imenso potencial da computação quântica, os cientistas ainda precisam superar alguns desafios para que esses computadores substituam os que usamos hoje. Segundo Faber, a característica quântica da superposição, que proporciona o emaranhamento, impõe uma grande dificuldade prática: esta só existe em sistemas perfeitamente isolados do ambiente. Qualquer influência externa destrói os efeitos quânticos, inviabilizando a computação. Atualmente, grupos de pesquisa em vários países estão trabalhando no desenvolvimento de tecnologias que superem esse problema.

Entre os softwares quânticos já desenvolvidos, os mais utilizados são o de fatoração e o de busca. A fatoração é muito utilizada na criptografia, técnica que codifica mensagens em números muito grandes, geralmente utilizada para proteger dados confidenciais, como senhas de cartão de crédito ou de contas bancárias. Estes grandes números, quando fatorados, revelam a mensagem original. “Uma curiosidade é que a criptografia apóia-se no fato de que nenhum procedimento atual consegue fatorar números grandes de maneira suficientemente rápida. Mas o simples fato de existir um procedimento que o faça de forma rápida, já torna, em princípio, qualquer código criptografado ineficiente. Em outras palavras, a computação quântica vai demandar o desenvolvimento de novas formas de proteção da informação”, alerta Faber.

Para se ter uma idéia do grande potencial de busca dos computadores quânticos em relação aos atuais, basta imaginar uma situação do cotidiano. “Quando vamos ao supermercado, colocamos um produto de cada vez no carrinho. Para economizar tempo, escolhemos os melhores acessos para chegar, por exemplo, até um pacote de açúcar e, em seguida, ir para outra prateleira. Com o efeito quântico, seria como se pudéssemos acessar todas as prateleiras ao mesmo tempo”, ressalta o pesquisador, disposto a convencer – nos da superioridade na velocidade de busca desses novos computadores.