Algoritmos quânticos: uma área promissora e repleta de desafios para as próximas décadas

Postado em 01/02/2021 por Gleydson Fernandes

Computação quântica

Se você acompanha as publicações deste site, já deve saber muito bem que a computação quântica pode oferecer uma série de vantagens quanto ao tempo de processamento para diversos problemas computacionais, como por exemplo na busca de um ítem em uma lista – através do algoritmo de Grover – e na quebra de criptografia de um sistema – através do algoritmo de Shor.

Algoritmo de busca de implementado no computador quântico da IBM.

E você também já deve saber que essas vantagens se devem ao fato de computadores quânticos utilizarem “qubits”, sistemas quânticos sobrepostos que podem se “emaranhar”, ao invés de “bits”, como nos computadores convencionais.

Entretanto, se você prestou bastante atenção no primeiro parágrafo deste texto, deve ter percebido a necessidade de algoritmos quânticos específicos para resolver os problemas computacionais mais rapidamente através da computação quântica, e desenvolver novos algoritmos que possam resolver melhor os problemas quanticamente é um grande desafio para os próximos anos.

Algoritmos são sequências de operações para se resolver um determinado problema e, para que possam ser entendidos por um computador, eles são escritos em uma linguagem de programação.

Na computação clássica, existem linguagens bastante desenvolvidas, ou linguagens de alto nível, como a linguagem python, que permitem o desenvolvimento de algoritmos de forma simplificada para o desenvolvedor.

Na computação quântica, por outro lado, apesar de utilizarmos python nas plataformas disponíveis, como IBM QE e Quantum-Inspire, ainda é necessário pensar nas operações feitas em cada qubit individualmente, sendo o python apenas uma adaptação para a escrita dos programas, que ainda utiliza portas lógicas nessa escrita.

Assim, a falta de uma linguagem nativa se torna um empecilho para os desenvolvedores de software e pode atrapalhar o processo de desenvolvimento de softwares quânticos, uma vez que é necessário que um programador quântico entenda não apenas da programação, mas também da matemática e da física por trás da aplicação das portas lógicas.

Outro grande problema será a interpretação dos resultados obtidos. Um computador quântico é uma grande máquina de falar probabilidades, e é preciso interpretá-las em cada aplicação feita, o que nem sempre é uma tarefa fácil.

Exemplificando, essas probabilidades podem nos apontar uma chave de criptografia, um ítem procurado em uma lista ou um estado teleportado. Tudo depende sempre da aplicação. Na segunda imagem abaixo, por exemplo, as probabilidades significam que recuperamos corretamente o estado teleportado na primeira.

Circuito de teleporte quântico para o estado $\frac{1}{\sqrt{3}}$|0> + $\frac{2}{\sqrt{3}}$|1>.
Distribuição de probabilidades para o circuito acima.

Assim, caro leitor, se você pensa que o grande desafio dos computadores quânticos é apenas o desenvolvimento de hardware, se engana enormemente. Esse novo paradigma da computação trás consigo desafios muito mais amplos: abrange tudo o que possa haver em um computador.

Fontes: https://arxiv.org/abs/2101.11388

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