As 10 principais aplicações futuras inesperadas de computadores quânticos

A computação quântica é uma grande tendência na ciência da computação. É de cair o queixo pensar que tudo começou com a observação das estranhas propriedades da luz! Houve vários pioneiros na computação quântica, sendo o principal Richard Feynman – ele explicou que os computadores quânticos são viáveis ​​e que são o futuro da computação.

Os computadores quânticos já existem muito antes de você pensar. A primeira computação quântica foi realizada em 1997, utilizando RMN em moléculas de clorofórmio. ^[1] Hoje em dia, temos tentado usar a palavra “quântica” em praticamente tudo. Mesmo assim, ainda existem algumas aplicações – na interminável lista de tecnologias quânticas – que são realmente surpreendentes.

10 Melhorando o tratamento do câncer

O câncer é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Na verdade, de acordo com um inquérito recente da Organização Mundial de Saúde (OMS), só os cancros respiratórios ceifaram 1,7 milhões de vidas em 2016. No entanto, se o cancro for reconhecido numa fase inicial, as probabilidades de recuperação através do tratamento são muito maiores. Existem muitas maneiras de tratar o câncer. Uma delas é removê-lo por cirurgia; outra é através da radioterapia.

A otimização do feixe é crítica na radioterapia, pois é importante garantir que a radiação danifique o mínimo possível de células e tecidos saudáveis ​​próximos à região do câncer. Houve muitos métodos de otimização para radioterapia no passado que usavam computadores clássicos. Em 2015, pesquisadores do Roswell Park Cancer Institute criaram uma nova técnica que utiliza computadores de recozimento quântico, como os fabricados pela D-Wave, para otimizar a radioterapia de uma maneira três a quatro vezes mais rápida do que um computador normal. ^[2]

9 Melhor fluxo de tráfego

Muitos de nós estamos acostumados a acordar cedo e sair para o trabalho, apenas para encontrar um engarrafamento no caminho. E então vem a terrível sensação de que você vai se atrasar para o trabalho. O Google tem trabalhado para solucionar esse problema monitorando o tráfego e sugerindo rotas alternativas aos seus usuários. No entanto, a Volkswagen está levando isso a outro nível com suas pesquisas.

Numa experiência de 2017, a Volkswagen tentou resolver a questão do trânsito, não através da monitorização, mas sim da otimização do próprio fluxo de trânsito. Eles usaram a técnica Quadratic Unconstraint Binary Optimization (QUBO) com computadores de recozimento quântico para encontrar a rota ideal para um número selecionado de carros e possíveis rotas em consideração. ^[3]

Até agora, testaram isto com 10.000 táxis em Pequim para mostrar como o seu método pode optimizar o fluxo de tráfego significativamente mais rápido do que um computador clássico. No entanto, muitas pessoas estão céticas em relação às afirmações da Volkswagen, uma vez que usaram um computador de recozimento quântico D-Wave para fazer o processamento. Muitos cientistas afirmam que os recozidores quânticos fabricados pela D-Wave não oferecem uma aceleração tão significativa quanto a Volkswagen afirma.

8 Melhor cobertura de dados móveis

Todos nós já passamos por uma situação em que a recepção de dados móveis é excessivamente ruim e preferimos apenas usar aquele ponto de acesso WiFi lento naquela cafeteria próxima . Bem, parece que uma empresa chamada Booz Allen Hamilton pode ter encontrado a solução para o horrível problema de cobertura de rede, com a ajuda de computadores quânticos, é claro!

Numa publicação de 2017, eles sugeriram que a cobertura ideal do satélite é muito difícil de descobrir. Isso ocorre porque existem muitas combinações de alinhamento possíveis e é realmente difícil verificar todas essas combinações com computadores clássicos.

A solução? Eles sugerem que o uso da técnica QUBO, como mencionado anteriormente, com a ajuda dos computadores de recozimento quântico da D-Wave, pode ajudar a encontrar a posição ideal de cobertura do satélite necessária. ^[4] Isto não significaria que os satélites seriam capazes de cobrir todos os pontos de má recepção, mas a probabilidade de encontrar um local com melhor recepção pode aumentar significativamente.

7 Simular moléculas

A simulação de moléculas tem sido um campo crucial na biologia e na química , pois nos ajuda a compreender a estrutura das moléculas e como elas interagem entre si. Mas também nos ajuda a descobrir novas moléculas.

Embora os computadores clássicos hoje em dia possam simular essas dinâmicas moleculares, há uma limitação na complexidade das moléculas em uma determinada simulação. Os computadores quânticos são capazes de quebrar essa barreira com eficácia. Até agora, eles só foram usados ​​para simular moléculas pequenas, como o hidreto de berílio (BeH ₂ ), por exemplo. Pode não parecer muito, mas o fato de ter sido simulado por um chip de sete qubits mostra que, se tivéssemos mais qubits à nossa disposição, poderíamos ser capazes de executar simulações moleculares extremamente complexas. ^[5] Isso ocorre porque o poder de processamento dos computadores quânticos aumenta exponencialmente à medida que o número de qubits aumenta.

Outro hardware – como os computadores de recozimento quântico da D-Wave – também tem sido usado por pesquisadores para criar métodos de simulação que podem ser tão bons, se não mais rápidos, que os métodos atuais.

6 Quebre outros criptosistemas usados ​​atualmente além do RSA

Alguns de nós já devem ter ouvido falar do susto de que computadores quânticos sejam capazes de quebrar sistemas criptográficos como RSA ou DSA. Isto parece ser verdade para alguns criptosistemas, pois eles dependem de números primos para gerar uma chave baseada em fatores primos. Um algoritmo, chamado algoritmo de Shor, pode ser usado por computadores quânticos para encontrar os fatores primos usados ​​para gerar a chave, e eles podem fazer isso com muito mais eficiência.

Mas e os outros criptosistemas que não dependem de números primos para gerar chaves? Existe outro algoritmo chamado algoritmo de Grover que pode ser usado para forçar uma chave com mais rapidez do que um computador clássico. No entanto, esta não é uma aceleração tão grande quanto o algoritmo de Shor ofereceria, em comparação com um computador clássico (aceleração quadrática vs. exponencial). Isso significaria que precisaríamos de computadores quânticos significativamente mais rápidos do que os que existem atualmente para tentar quebrar esses criptossistemas.

Mesmo assim, existem alguns criptosistemas que seriam impossíveis de serem quebrados por computadores quânticos. Esses criptosistemas são categorizados no campo da “criptografia pós-quântica”. No geral, porém, parece que pelo menos o RSA – que é frequentemente usado em assinaturas digitais – seria obsoleto. ^[6]

5 IA mais humana

A inteligência artificial é um campo extremamente em alta na ciência da computação. Os cientistas têm tentado tornar a IA mais humana por meio de aprendizado de máquina e redes neurais. Parece assustador, mas agora adicione computadores quânticos à mistura e ela será levada a um nível totalmente novo.

As redes neurais são executadas em conjuntos de dados baseados em matrizes, e o processamento feito nas redes neurais é calculado por meio da álgebra matricial. No entanto, a própria computação quântica funciona fundamentalmente de tal natureza que matrizes são frequentemente usadas para definir e determinar os estados quânticos dos qubits. ^[7] Com isso, qualquer processo computacional feito na rede neural seria semelhante ao uso de portas quânticas transformacionais em qubits. Conseqüentemente, os computadores quânticos parecem ser a opção perfeita para redes neurais incorporadas à IA.

Não só isso, mas os computadores quânticos também podem ajudar a acelerar significativamente o aprendizado de máquina em comparação com um computador clássico. É por isso que o Google tem investido em pesquisas de computadores quânticos para melhorar a IA do Google por meio de hardware quântico.

4 Criptografia Quântica

Isso é muito diferente da criptografia pós-quântica, pois não se destina a impedir que computadores quânticos quebrem sistemas criptográficos, embora o faça de qualquer maneira. Este tipo de criptografia utiliza os meios da própria mecânica quântica. Mas como é mais versátil do que outras formas de criptografia?

A criptografia quântica concentra-se principalmente na parte de distribuição de chaves de um sistema criptográfico, onde dois pares de qubits emaranhados são usados. Um é enviado ao destinatário, enquanto o remetente fica com o outro. Partículas emaranhadas em uma superposição, quando medidas, afetam o outro qubit. Envie um fluxo desses qubits e você terá uma chave utilizável para criptografia. ^[8]

A melhor parte é que a escuta é impossível, pois os qubits não podem ser copiados. Eles também não podem ser medidos, pois existem métodos para determinar se o qubit foi adulterado antes de ser recebido pelo destinatário pretendido. Isso o torna um método robusto para criptografia, e é por isso que os cientistas ainda estão pesquisando nesse campo.

3 Previsão do tempo

Todos nós já tivemos aquele momento em que verificamos a previsão do tempo e ela disse que seria um dia maravilhoso e ensolarado. Então, momentos depois, começa a chover e você não trouxe seu guarda-chuva . Bem, parece que os computadores quânticos podem ter uma solução para isso.

Em 2017, um pesquisador russo publicou um artigo sobre a possibilidade de usar computadores quânticos para prever o clima com mais precisão do que os computadores clássicos. Existem algumas limitações nos computadores atuais na previsão de todas as mudanças climáticas complexas. ^[9] Isso ocorre porque grandes quantidades de dados estão envolvidas, mas os computadores quânticos parecem oferecer uma grande aceleração em comparação aos meios clássicos por causa da metodologia Dynamic Quantum Clustering (DQC), que supostamente gera conjuntos de dados úteis que as técnicas clássicas não conseguem.

Mesmo assim, deve-se notar que nem mesmo os computadores quânticos podem prever o tempo com precisão absoluta, mas pelo menos será menos provável que nos arrependamos de não ter trazido um guarda-chuva em dias ensolarados suspeitos!

2 Anúncios personalizados mais eficientes

Todos nós odiamos quando procuramos um artigo, apenas para descobrir que ele está repleto de anúncios . A maior parte nem parece relevante! Felizmente, a Recruit Communications encontrou uma solução para um desses dois problemas: a relevância dos anúncios.

Em sua pesquisa, eles explicaram como o recozimento quântico pode ser usado para ajudar as empresas que desejam anunciar a atingir uma gama mais ampla de pessoas sem gastar muito. O recozimento quântico pode ser usado para combinar anúncios relevantes com os clientes, para que eles tenham maior probabilidade de clicar neles. ^[10]

1 Jogos com computadores quânticos

Com toda a aceleração que os computadores quânticos oferecem no campo da computação, uma coisa que os jogadores podem estar curiosos é se eles podem ser usados ​​para criar um excelente equipamento de jogos que pode rodar jogos em taxas de quadros extremamente altas. A resposta seria: “Mais ou menos”.

Neste ponto, o campo dos computadores quânticos ainda está em sua infância, e o hardware atual ainda não atingiu a “supremacia quântica” – que é quando o hardware quântico pode computar mais rápido do que os melhores computadores atuais , embora a definição ainda seja vaga. Isso ocorre porque os algoritmos de computador quântico funcionam de maneira muito diferente dos clássicos. Mesmo assim, os jogos quânticos ainda parecem possíveis.

Alguns jogos foram desenvolvidos para utilizar computadores quânticos. Um deles se chama Quantum Battleships, que é baseado no jogo de tabuleiro Battleships. ^[11] Além disso, a Microsoft tem trabalhado em uma linguagem de programação chamada Q#, que usa hardware clássico e quântico para calcular. Também é muito semelhante ao C#, o que significaria que é muito possível desenvolver jogos usando Q# que aproveitem o hardware quântico. Talvez tenhamos Call of Duty Q um dia!