Empolgante e promissora: assim consideramos a computação quântica, uma área que está em pleno desenvolvimento e, mesmo dando pequenos passos, está impactando o cenário da tecnologia moderna.
Há quem tenha receio de tamanha audácia, há quem acredite no potencial e esteja ansioso pelo futuro próximo da computação. Embora existam esses dois olhares sobre o efeito, é unânime a percepção de que a computação quântica pode causar uma revolução no campo da TI.
Seguindo a essência da computação quântica, em breve, poderemos ter computadores análogos a cérebros eletrônicos capazes de realizar em apenas alguns segundos tarefas extremamente complexas para os dispositivos tradicionais.
Mas afinal, o que é e quais os fundamentos da computação quântica?
Abordamos desde o seu conceito até a sua influência no campo da programação, tudo para suprir a sua curiosidade e atiçar a sua vontade de se juntar à comunidade de TI, um grupo que cresce a passos largos no Brasil e no mundo.
Descubra essas e outras informações significativas sobre esse assunto lendo o nosso post!
O que é computação quântica?
Baseada nos princípios do entrelaçamento quântico e na superposição da matéria, a computação quântica é um ramo da informática que, em teoria, poderia armazenar muitos mais estados por unidade de informação e trabalhar com algoritmos superiores em termos numéricos, por exemplo, temple quântico e Shor.
Para tanto, aproveita o conhecimento da mecânica quântica para superar as barreiras impostas pela informática tradicional vinculadas à coerência e à escalabilidade.
Assim, permite efetuar diversas operações em paralelo e erradicar o tunelamento (efeito túnel) que impacta em escala nanométrica a programação atual.
Quer saber mais detalhes sobre o conceito e como funciona? Acesse o nosso conteúdo completo sobre o assunto para obter mais informações!
Quais as diferenças entre a computação tradicional e a computação quântica?
Existem diferenças significativas entre a computação tradicional e a versão quântica. Embora ambos paradigmas de processamento de informações busquem resolver problemas computacionais, diferem na forma como funcionam, bem como em termos de capacidades e limitações.
A seguir, apresentamos as principais diferenças.
Unidade básica: bit x qubit
Enquanto na computação tradicional a unidade básica é o bit, no modelo quântico é o qubit
Pode ser difícil de entender no primeiro momento, pois estamos acostumados a lidar com apenas dois valores de bit: 0 ou 1, e todas as operações e dados são representados por uma sequência desses números.
Já na computação quântica, a situação muda completamente tornando-se mais complexa, pois, diferente dos bits tradicionais, a unidade qubit consiste em uma versão ambivalente, podendo ser zero e um ao mesmo tempo, e em diferentes proporções. Isso acontece em virtude de um fenômeno denominado superposição.
Isso significa que um único qubit pode armazenar e processar muito mais informações do que um bit convencional.
Quando vários qubits estão em superposição, o poder computacional se expande de maneira exponencial, permitindo que os computadores quânticos processem múltiplas possibilidades ao mesmo tempo.
Processamento em sequência x Superposição
Em um computador clássico, os bits operam em um sistema binário, sendo processados um de cada vez.
Quando você trabalha com um programa, o processador executa uma série de operações em sequência, uma após a outra, baseadas nos estados 0 e 1 dos bits.
Por outro lado, na computação quântica, a superposição permite que os qubits estejam em vários estados simultaneamente.
Assim, em vez de processar uma única possibilidade de cada vez, um computador quântico pode explorar todas as possibilidades ao mesmo tempo. Isso aumenta exponencialmente a capacidade de cálculo de um computador quântico para problemas que exigem a avaliação de várias alternativas em paralelo, como na simulação de moléculas ou na análise de grandes volumes de dados.
Dependência sequencial x Entrelaçamento quântico
Na computação tradicional, os bits não têm esse tipo de relação entre si. Cada bit é independente, e as operações são feitas de maneira sequencial.
No modelo quântico, o entrelaçamento ocorre quando dois ou mais qubits se tornam correlacionados de tal forma que o estado de um qubit afeta instantaneamente o estado de outro, não importa a distância entre eles.
A partir de este fenômeno, um computador quântico pode manipular múltiplos qubits de forma interconectada, realizando cálculos e análises em paralelo e de maneira muito mais eficiente.
Capacidade de lidar com problemas complexos
Os computadores tradicionais são ótimos em realizar tarefas simples e de alta repetibilidade. Inclusive, são capazes de efetuar bilhões de cálculos por segundo e são altamente eficazes para a maioria das tarefas cotidianas, como navegação na internet, edição de textos e jogos.
Entretanto, eles deixam a desejar quando é preciso resolver problemas extremamente complexos, como simular o comportamento de moléculas quânticas ou otimizar soluções em sistemas com variáveis interdependentes.
Por outro lado, a computação quântica pode lidar com esses problemas complexos de forma muito mais rápida e eficiente.
É importante mencionar que os computadores quânticos atuais ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento, com dificuldades em manter os qubits estáveis (decoerência quântica) e em escalar os sistemas de forma prática.
Por isso, a tecnologia ainda não está pronta para competir em larga escala com os computadores tradicionais em tarefas do dia a dia.
Algoritmos tradicionais x algoritmos quânticos
Os algoritmos tradicionais funcionam muito bem em computadores clássicos, sendo eficientes para tarefas como navegação em páginas web, execução de aplicativos e processamento de dados.
Nesse modelo, programação é baseada em linguagens como C, Python e Java, que lidam com operações em bits e são amplamente compreendidas.
Porém, na computação quântica, os algoritmos quânticos são necessários para aproveitar o potencial dos qubits, tirando proveito da superposição e do entrelaçamento para realizar operações complexas mais rapidamente do que seria possível com algoritmos tradicionais.
Alguns exemplos incluem o algoritmo de Shor, capaz de fatorar grandes números muito mais rapidamente que os algoritmos clássicos, e o algoritmo de Grover, que pode acelerar a busca em bancos de dados não estruturados.
Como a computação quântica está em estado embrionário, os seus algoritmos estão sendo aprimorados, sendo que, alguns deles somente são viáveis em sistemas específicos e controlados.
Robustez x Fragilidade
Neste quesito, a computação quântica apresenta um déficit importante: a fragilidade da sua unidade básica.
Os qubits são muito sensíveis a interferências externas, como oscilações térmicas e radiação. Esses inconvenientes podem gerar erros nos cálculos, fenômeno conhecido como decoerência, mencionado anteriormente.
Outro ponto interessante é que nos computadores tradicionais, podemos corrigir os erros rapidamente usando sistemas de código de correção de erro. Em contraponto, na computação quântica, o processo de correção de erros é mais complexo, visto que a própria leitura do qubit pode alterar o seu estado.
Programação: qual o impacto da computação quântica na programação?
Tendo em vista as informações proporcionadas ao longo do conteúdo, extremamente relevantes para poder aprofundar este tópico, as ciências da computação estão experimentando uma grande mudança na forma como se encara a programação.
A boa e velha arte da programação que conhecemos precisa abrir as portas para o novo paradigma, mais rebuscado e exponencialmente dinâmico. Para isso, os programadores precisam renovar as suas competências, entendendo como funciona um computador quântico e adicionando novas habilidades ao seu pool de conhecimento.
A seguir, apresentamos 5 mudanças expressivas no campo da programação sob a mira da computação quântica.
1. Novos conceitos
A superposição e o entrelaçamento são conceitos essenciais, onde os qubits podem representar várias possibilidades ao mesmo tempo, mudando a forma como desenvolvemos algoritmos.
2. Correção de erros
Como a computação quântica é altamente sensível a erros de decoerência pela fragilidade dos qubits, os profissionais de programação precisarão criar algoritmos quânticos mais robustos e usar códigos de correção quântica para assegurar que os cálculos sejam precisos, apesar das falhas.
3. Linguagem de programação e ferramentas
A programação quântica exige novas ferramentas e linguagens, como Qiskit, Cirq e PyQuil, que oferecem ambientes específicos para trabalhar com qubits. O domínio dessas ferramentas é fundamental para criar soluções práticas em computadores quânticos.
Perante essas linguagens mais complexas, é possível que você considere a necessidade de otimizar as tradicionais para alcançar, posteriormente, objetivos mais avançados. Descubra como dar os primeiros passos lendo o nosso conteúdo!
4. Pensamento não linear e paralelismo
Com a capacidade de explorar várias possibilidades ao mesmo tempo, a programação quântica demanda que os desenvolvedores pensem de forma não linear.
Dessa forma, em vez de processos sequenciais, o foco está em maximizar o paralelismo para resolver problemas mais rapidamente.
5. Desenvolvimento de algoritmos quânticos
A programação de computadores quânticos requer o desenvolvimento de algoritmos do mesmo tipo, que permitam aproveitar a superposição e o entrelaçamento.
De fato, esses algoritmos precisam ser mais eficientes para lidar com problemáticas complexas que os computadores convencionais, pois estes não podem resolver em tempo real.
A revolução está acontecendo e você precisa se preparar!
A computação quântica é uma tendência. Não é à toa que os cientistas estão concentrados em desenvolver e otimizar cada vez mais ferramentas e abordagens que permitam viabilizá-la completamente.
Embora ainda esteja engatinhando, o modelo se mostra promissor, principalmente, em matéria de processamento de dados e realização de tarefas. No entanto, para ser eficiente e atender as necessidades, é preciso resolver a questão da fragilidade dos qubits, reduzindo a sua sensibilidade perante oscilações de temperatura e radiações.
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A computação quântica vai redefinir a forma como programamos, exigindo que os desenvolvedores adotem um novo conjunto de habilidades. Portanto, o avanço e a popularidade da tecnologia também depende de quão preparado você esteja para assumir esses desafios.
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