Terça-feira, 25 de Junho de 2019
ISSN 1519-7670 - Ano 19 - nº1043
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CIRCO DA NOTíCIA >

A próxima revolução

Por Flávio de Carvalho Serpa em 26/05/2009 na edição 539

Uma transformação radical pode acontecer nas próximas décadas, mandando para o museu os mais poderosos computadores atuais. E como quase toda mudança científica e tecnológica arrasta para frente (ou para trás) as relações humanas, as transformações econômicas e sociais também podem ser formidáveis. Quem sabe levando a globalização produzida pela internet a um patamar muito superior.

As possibilidades são mirabolantes. Cálculos e simulações que exigem milhões de anos de trabalhos a todo vapor dos computadores atuais poderiam ser executados em frações de segundo. São promessas ainda distantes, mas o computador quântico, que ainda está em estágio de pesquisa e experimentação básica, pode ser um salto espetacular para a humanidade.

Por exemplo: os mais poderosos computadores atuais gastam semanas de trabalho para simular como uma única molécula simples ou uma droga interferem no metabolismo de uma célula, numa doença.

Um computador quântico carregado com as instruções do DNA, o material hereditário biológico, vai eventualmente simular eletronicamente o desenvolvimento e funcionamento de uma célula, levando em conta todos os fatores genéticos e ambientais para descobrir onde aparecem as doenças.

Outro exemplo, mais concreto: os números primos, aqueles que só são divisíveis por si próprios e por um, formam a base da criptografia que protege as transações bancárias e informações secretas. Quanto maior o número primo usado na chave de criptografia, mais difícil para um hacker quebrar as senhas. Um supercomputador atual leva semanas para decompor uma chave de 130 dígitos em números primos. Levaria nada menos que 10 bilhões de anos funcionando dia e noite para fatorar (decompor nos fatores que o constituem) uma chave de 400 dígitos. Pois bem, o computador quântico faria isso em apenas um minuto.

Isso é possível em princípio porque o computador quântico, ou CQ, em vez de usar um sistema operacional ou programas criados pela Microsoft ou IBM, vai usar como software as próprias leis da mecânica quântica e da física atômica, as mesmas que regem o funcionamento de todos os sistemas naturais.

Isso quer dizer que coisas da ficção científica de Jornada nas Estrelas, como o teletransporte, que exige um CQ para funcionar, também já está no radar de longo alcance dos cientistas.

Bonde da história

E como está o Brasil nessa corrida mundial preparatória de uma nova era da ciência, tecnologia e de mudanças sociais?

Tem uma minguada cinco dúzias de abnegados cientistas em todo país tentando não perder, mais uma vez, o bonde da história. O Brasil não tem qualquer estratégia detalhada com planejamento de estimativas de quantos físicos doutorados e pós-doutorados, técnicos, engenheiros, matemáticos, estruturas de apoio e equipamentos que serão necessários nem para as pesquisas básicas.

A culpa não é só do governo. Envolve uma vasta trama de atrasos de toda a ordem, começando pela tradicional base da pirâmide cultural brasileira. ‘Há um fenômeno geral, válido para todas as áreas de ciência: são poucos os jovens que escolhem a pesquisa científica como atividade profissional, se considerarmos o tamanho da população brasileira. Isso se deve, sem dúvida, à má qualidade da educação básica e, em especial, da educação em ciências’, argumenta o físico carioca Luiz Davidovich, 63 anos, da UFRJ.

A dificuldade dos jovens interessados na iniciação científica no topo da pirâmide educacional é especialmente prejudicada na área da computação quântica, segundo explica a física carioca Belita Koiller, da UFRJ, ganhadora em 2005 do prêmio internacional da L´Oréal-Unesco para mulheres na ciência: ‘A computação quântica é uma área essencialmente multidisciplinar’.

Depende de muitas especialidades, abrangendo áreas como matemática, ciência da computação e física quântica, além de outras áreas de física como matéria condensada, atômica, óptica, fotônica, nanotecnologia, tanto em atividades teóricas como experimentais.

A formação universitária no Brasil sempre foi e continua sendo excessivamente compartimentalizada – em cada carreira os currículos são preenchidos praticamente por disciplinas obrigatórias restritas à respectiva especialização, dificultando uma formação interdisciplinar mais ampla e moderna.

Além de serem poucos, os pesquisadores dessas diversas áreas estão unidos apenas virtualmente – o que já é alguma coisa – no recém-criado Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica.

O físico Amir Caldeira, coordenador do Instituto e professor do departamento de Física da Matéria Condensada da Universidade de Campinas, explica: ‘Temos um grupo de 66 pessoas coesas trabalhando nessa área, mas é só isso, um grupo de pessoas coesas. É um programa de ciência básica, não temos metas específicas ainda.’

Embora a ajuda do governo seja razoável para os padrões brasileiros, segundo Amir, o montante deixa a desejar se comparado com outros países semelhantes: ‘Ganhamos no projeto passado 2 milhões de reais para o Instituto do Milênio de Informação Quântica por três anos, para 12 instituições espalhadas pelo Brasil inteiro. Quando fui à Austrália e Nova Zelândia, em 2005, vi que eles tinham um projeto semelhante que envolvia quase o mesmo número de instituições, mas com um detalhe: o equivalente deles era 2 milhões de reais por ano por instituição. O que era a dotação para uma universidade lá, era equivalente ao total para todas instituições brasileiras em três anos!’, lamenta ele.

‘Agora melhorou com o Instituto, quase quadruplicou, mas ainda é pouco para coisas mínimas, como convidar um figurão de fora para dar aqui um minicurso, participar de eventos no exterior, equipar melhor os laboratórios. Mas não é um Instituto do qual se possa esperar produtos num determinado prazo. Para isso acontecer, todo o direcionamento tem de ser diferente’, diz ele.

Gargalos de hardware

O CQ está um pouco mais além do estágio em que estava a computação em 1936, quando Alan Turing criou uma máquina abstrata que permitiu definir precisamente pela primeira vez noções básicas como algoritmo, programa e computação.

Por várias décadas, a máquina de Turing foi um modelo teórico que inspirou o amadurecimento de dispositivos de chaveamento sim/não (ou zero/um), primeiro das válvulas termiônicas e depois dos transistores.

Na época, a empreitada foi tremendamente facilitada porque os dispositivos físicos necessários à materialização do computador teórico de Turing já existiam há várias décadas – as válvulas termoiônicas dos antigos rádios.

Mesmo assim o primeiro computador, o Eniac, só funcionou em 1946, dez anos depois da solução demonstrada por Turing. Era um monstrengo de 30 toneladas que ocupava uma sala de 180 m2, mas tinha uma potência equivalente às calculadoras de bolso atuais.

Isso não acontece agora. Existe quase uma dezenas de sistemas quânticos candidatos a ser o processador do CQ, cumprindo o papel das antigas válvulas ou dos modernos transistores. Considerando-se todos os aspectos relevantes, nenhum desses sistemas experimentais tem vantagens claras sobre os outros.

A definição mais conclusiva do hardware adequado para processar os algoritmos do CQ é a próxima etapa. Físicos e engenheiros discutem o tipo de hardware mais adequado.

‘Nos próximos cinco anos, os sistemas estarão melhor garimpados’, arrisca Belita, sem muita convicção.

Os candidatos a hardware são os mais díspares possíveis, como elétrons flutuando em hélio líquido, macromoléculas orgânicas imersas em aparelhos de ressonância nuclear magnética, íons presos em armadilhas eletrônicas e até dispositivos baseados no material clássico da computação moderna, o silício, cuja tecnologia é familiar aos fabricantes de microprocessadores. A viabilidade do silício para esta finalidade é assunto pesquisado teoricamente por Belita.

A ressonância nuclear magnética em macromoléculas – que usa os mesmos aparelhos da medicina de diagnóstico nos hospitais – foi o primeiro sistema no qual se realizou uma operação prática de computação quântica, a fatoração ou decomposição do numero 15 em números primos (3 e 5).

No entanto, falta a possibilidade de crescer em escala, um problema ligado a limitações na síntese de moléculas bem maiores que as obtidas até o momento. Talvez se pudesse chegar a fatorar o numero 21, mas a IBM, empresa também envolvida nas pesquisas do CQ em colaboração com a universidade de Stanford, praticamente desistiu desse candidato a hardware. Belita acredita que o mais avançado no momento é o sistema de íons armadilhados.

A vantagem do silício é que a sua tecnologia já é bem dominada no mundo, mas mesmo assim a preparação de bits quânticos no silício exigiria uma fabricação extremamente mais refinada do que faz a Intel, por exemplo.

Além de produzir cristais de silício com alto grau de pureza e livres de defeitos, seria necessária uma separação isotópica, semelhante à separação de isótopos para o enriquecimento do urânio usado para uso em reatores e bombas atômicas, uma coisa que a Intel não precisa fazer. Para aplicações em CQ, os isótopos do silício, presentes na proporção de 5% no material natural, devem ser eliminados.

Mas para entender a complexidade e o desafio da física é preciso compreender como poderá funcionar o computador quântico. O CQ usa duas propriedades surpreendentes da mecânica quântica para realizar as operações de computação.

O gato zumbi

A primeira delas é a que viola a idéia aristotélica clássica de que duas coisas diferentes não podem ocupar o mesmo lugar ao mesmo tempo. Um elétron, a partícula de carga básica, possui um atributo quântico, denominado spin, que poderia ser descrito classicamente em analogia com o giro de um pião. Mas no mundo quântico o giro do pião do elétron pode ser no sentido horário (para baixo), no sentido anti-horário (para cima) ou bizarramente para cima e para baixo ao mesmo tempo. Isso ocorre porque a equação que descreve o spin do elétron pode fornecer o valor do spin para cima, para baixo e mais uma infinidade de soluções que são superposições das duas anteriores.

Os físicos discutem até o hoje o significado filosófico dessa bizarrice, mas ela já está exaustivamente provada.

Não é um problema recente. A questão foi levantada em 1935 pelo físico Erwin Schrödinger e ficou conhecida como o ‘gato de Schrödinger’. Foi uma experiência hipotética na qual um gato era encerrado numa caixa com um vidro de gás letal que poderia ser quebrado por uma atividade nuclear probabilística. Quem não estivesse vendo o interior da caixa não saberia se o gato estaria vivo ou morto. Logo a função de onda, o objeto quântico que descreve coisas, daria um resultado que seria a sobreposição do gato vivo com o morto. O gato zumbi de Schrödinger atormenta até hoje os físicos.

Existem outras interpretações igualmente bizarras. Uma delas é a de que existem universos paralelos e que o gato está vivo num universo e morto no outro. Uma conseqüência extravagante é que ao se abrir a caixa para verificar o estado do gato, se ele ainda estiver vivo, o universo no qual ele está morto desaparece sem deixar rastro. Punk, não?

Com essa propriedade esquisita o CQ pode ter bits especiais diferentes dos usados pelo computador clássico. Em vez de ter apenas os valores um ou zero da lógica binária, o CQ pode ter os valores um, zero e um e zero. Pode parecer uma diferença modesta, mas à medida em que se amplia a quantidade de bits o crescimento é exponencial. Com três bits os valores clássicos são: 000, 001, 011, 111, 100, 110. Mas nos bits quânticos, batizados de Qbits, esses valores podem ser, além dos valores acima, também as superposições deles, tipo [50% 000 + 50% 001 ou 90% 000 + 10% 011] e assim por diante, gerando um número infinito de possibilidades.

O fantasma de Einstein

A segunda propriedade da mecânica quântica que viabiliza o CQ é igualmente bizarra e foi batizada por Albert Einstein como uma coisa ‘fantasmagórica’. Trata-se de uma coisa absurda no mundo clássico.

Se duas partículas interagem intimamente elas passam a fazer parte de um sistema único e ficam, como dizem os físicos, ‘emaranhadas’. Quer dizer que se dois fótons são criados e cada um dispara em uma direção do universo eles vão estar ligados. Se for feita uma observação num deles numa ponta da galáxia, isso se reflete imediatamente, num tempo zero, no outro lado da galáxia.

Com essas duas propriedades, já temos as propriedades necessárias para resolver problemas com o CQ. Num problema simples, como achar a saída de um labirinto complexo: no computador clássico o processador simularia uma partícula percorrendo o labirinto numa determinada ordem, como entrar sempre nas passagens à direita, por exemplo. Se não desse certo voltaria ao começo e tentaria todas as portas à esquerda. Se não desse certo tentaria a primeira porta à direita e depois todas as esquerdas e assim sucessivamente. É uma trabalheira.

Mas no caso do CQ, logo na primeira bifurcação, o processador usa a propriedade quântica da sobreposição e gera ondas que vão ao mesmo tempo pelas duas portas. Na bifurcação seguinte, a mesma coisa, indefinidamente, gerando um batalhão de ondas fantasmas ou qbits. Aí entra a segunda propriedade fantasmagórica da mecânica quântica, o emaranhamento.

Todos esses fantasmas estão emaranhados e fazem parte de um único sistema, não importa quão longe estejam. O fantasma que achou a porta de saída do labirinto então transmite para todos os outros o caminho certo. Como dizem os físicos, todo esse emaranhado de fantasmas ‘colapsa’ para apenas um valor certo. Os outros se vão para seus universos paralelos, se é que isso existe.

Com os progressos da física experimental, se descobriu que a equação de onda do gato zumbi, ou dos batalhões de fantasmas no labirinto, não ficaria muito tempo nessa situação de emaranhamento. A coerência entre os estados vivo/morto logo desaparece em laboratório. Depois de certo tempo, o gato estaria ou morto, ou vivo, mas de maneira excludente. Isso acontece espontaneamente sempre que há uma interferência externa, como uma carga elétrica ou algum ruído do mundo clássico.

O curto tempo de coerência é um dos principais obstáculos ao desenvolvimento do CQ. Luiz Davidovich é um dos brasileiros que freqüentemente publica pesquisas teóricas sobre o assunto em revistas internacionais. Recentemente, ele conseguiu pela primeira vez medir a dinâmica de emaranhamento de pares de fótons, o que vai ajudar a definir quanto tempo o CQ pode funcionar antes de travar – no caso, antes de perder a coerência entre os qbits ou ‘colapsar’ para um valor único, sem superposições. Essa é também a área de trabalho do coordenador do Instituto, Amir Caldeira.

O Brasil tem também trabalhos na área teórica dos softwares do computador quântico. Na verdade, são algoritmos para resolver os problemas. São basicamente duas áreas: os algoritmos de busca e de fatoração, como os usados no desmembramento de números primos para a criptografia.

Renato Portugal, do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), é um dos craques nessa área e tenta também disseminar o interesse pelo CQ. É um dos autores de um dos raros livros em português para iniciação dos interessados.

É um problema sério. ‘Com relação à divulgação para o público leigo, as iniciativas são muito poucas e esbarram em um problema geral da sociedade brasileira’, avalia Portugal. ‘Existe um enorme fosso entre os pesquisadores e a população em geral. Deve ter alguma relação com a desigualdade social, tipo favela para classe alta. É muito difícil falar sobre computação quântica ou qualquer área de ponta da ciência para uma pessoa que não tenha nível universitário. Se não tiver nível secundário, aí o problema é sério. Já conversei com gente que tinha nível universitário e depois de muito falar que uma das implementações da computação quântica usa átomos em uma molécula acabei percebendo que a pessoa não estava entendendo nada e era porque ela não sabia que moléculas são feitas de átomos. Essa pessoa estudou isso no nível médio, mas jogou esse conhecimento fora como se fosse o pior tipo de lixo. Você tem que ficar cultivando ciência de tempos em tempos. Se você não se exercitar, os músculos atrofiam. Não é?’

O cientista acredita que parte da culpa vai para a ala acadêmica também. ‘Eu acho que há pouco estímulo, muito por causa dos próprios pesquisadores que não investiram energia suficiente para mostrar que a área é estratégica e fundamental em médio prazo. Uma das coisas que mais freia o desenvolvimento de áreas novas no Brasil é a característica dos pesquisadores brasileiros de serem resistentes a mudanças de área. Se um pesquisador fez um nome, ou tem reconhecimento numa determinada área, ele não muda e não incentiva jovens a investir em novas áreas’, lamenta ele.

Portugal já trabalhou na Universidade de Waterloo, no Canadá, um dos maiores centros mundiais de CQ, que rivaliza até com os centros norte-americanos. ‘O investimento lá é muito maior. Somente no ano passado, a Universidade de Waterloo recebeu uma doação do bilionário e visionário Mike Lazaridis, fundador da RIM, criadora do celular Blackberry, de 140 milhões de dólares para a computação quântica.’ Uma montanha de dinheiro que humilha o orçamento de vários anos do LNCC.

O maior gargalo, no entanto, é na área experimental, segundo explica Belita. ‘Sinto falta de um grupo experimental forte. Essa área de experimentação de silício não é tão desenvolvida no Brasil como seria desejável’, lamenta ela.

Nem tudo está perdido

O trabalho de Belita é baseado em trabalhos experimentais realizados no exterior e busca um candidato a processador quântico viável do ponto de vista das operações lógicas e com tempo de coerência longo.

Para isso, é preciso projetar um sistema muito blindado do mundo exterior, para evitar que as interferências clássicas destruam a coerência do qbit. Um bom lugar para fazer isso é na matriz cristalina do silício.

‘Essa é uma armadilha perfeita do ponto de vista da natureza porque o átomo está lá e não sai’, diz ela. A armadilha pode ser feita injetando um átomo diferente, chamado dopante, na matriz cristalina pura do silício. ‘Esse átomo possui um elétron a mais com um spin desemparelhado. É o mesmo tipo de impureza que se usa na dopagem tradicional de semicondutores. A diferença é que essas impurezas têm de ser adicionadas uma a uma, em posições conhecidas, para que possam ser manipuladas, ou por eletrodos, campos magnéticos etc. O spin do elétron ligado ao dopante forma um qbit perfeito por ter dois estados (para cima e para baixo). Como é um atributo quântico, o spin interage fracamente com o meio ambiente, sendo menos contaminado pela descoerência do que uma propriedade clássica, como a carga’, detalha ela.

‘O silício para CQ tem de ter alto grau de pureza e cristalinidade e, além disso, o que difere da usinagem clássica da indústria de semicondutores, tem que ser purificado isotopicamente porque 5% dos isótopos deste material como encontrado na natureza têm spin nuclear que interage com o spin do elétron, representando um fator de descoerência. Idealmente, deve ser utilizado o silício 28 purificado, cujo spin nuclear é nulo. Já foi demonstrado que isso aumenta muito o tempo de coerência. Se for comprovada a viabilidade de alguma das arquiteturas propostas, a indústria teria todo interesse em produzir esse material’, espera a cientista.

Apesar do trabalho pioneiro, Belita percebe certa falta de interesse pela ciência no país. Por exemplo, ao contrário da imprensa em outros países, inclusive da América Latina, a imprensa brasileira não dá muito destaque à ciência: ‘O esporte parece ofuscar todas as outras áreas. Isso se multiplica na opinião pública e os jovens tendem a escolher carreiras como economia, advocacia. Opções científicas, que podem ser bastante gratificantes, não são sequer consideradas.’ Mas nem tudo está perdido. ‘Eu sou uma otimista. Acho importante o Brasil acompanhar essa nova área, que é estratégica, pois quem dominar a ciência e a tecnologia garante o futuro. E a ocasião é boa porque o hardware do computador quântico não está definido. Temos uma chance de chegar na fronteira’, conclui a cientista.

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