Opinião

Deus não joga aos dados?

O potencial dos computadores quânticos reside na possibilidade de explorarem, simultaneamente, muitas soluções diferentes para alguns problemas.

A natureza da realidade tem sido objecto de incontáveis discussões no mundo da ciência, desde que a descoberta da física quântica começou a colocar questões de difícil resposta. Existe uma realidade objectiva ou apenas existe aquilo que é efectivamente observado? A física quântica parece apontar para a segunda alternativa. De acordo com a interpretação de Copenhaga, proposta por Bohr e Heisenberg em 1925, um sistema físico é representado por uma complexa distribuição probabilística e apenas quando é efectuada uma medição é que uma dada propriedade toma um certo valor. Por exemplo, um electrão, uma partícula elementar, tem várias propriedades, mas elas apenas tomam um determinado valor quando são observadas. Uma dessas propriedades é o "spin", que pode ser visualizado como a rotação em torno de um eixo.

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Einstein discordava da interpretação de Copenhaga. Deus não joga aos dados, terá afirmado Einstein, argumentando que a modelação probabilística das propriedades das partículas era apenas um reflexo da nossa ignorância. De acordo com Einstein, cada partícula já carrega consigo as suas propriedades, codificadas de alguma forma escondida, e a medição apenas as revela. Sabe-se agora que não é possível as propriedades estarem definidas à partida e o tempo veio a dar razão à interpretação de Copenhaga. Aliás, as interpretações alternativas são ainda mais difíceis de aceitar. A mais popular alternativa, a teoria dos múltiplos universos, devida a Everett, propõe que o universo se bifurque em dois, para cada medição efectuada. Esta interpretação implica que, em cada segundo, sejam criados biliões, triliões, de universos, diferentes entre si apenas no resultado das medições efectuadas nesse segundo.

Algumas das consequências da física quântica são estranhas e contra-intuitivas. Em certas experiências são criadas duas partículas, com valores opostos (mas desconhecidos) de "spin", partículas que se podem afastar milhares ou mesmo milhões de quilómetros uma da outra após a sua criação. Porém, quando se mede o "spin" de uma delas, e este assume um dado valor, o valor medido para essa partícula é transmitido instantaneamente para a outra, cujo "spin" assume imediatamente o valor oposto. Einstein chamou a este efeito "o fantasmagórico efeito à distância" e, na altura, este fenómeno ficou conhecido como o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR). Apesar disso, este fenómeno foi já verificado experimentalmente, está na base de diversas tecnologias quânticas e é um resultado do mecanismo comummente designado como entrelaçamento quântico.

A física quântica veio a tornar-se uma teoria de grande sucesso e enorme valor preditivo, possibilitando o desenvolvimento de tecnologias como os transistores, os circuitos integrados, a energia nuclear e as fibras ópticas, entre muitas outras. Porém, no princípio da década de 80 do século passado, vários físicos e matemáticos, entre os quais Feynman, Deutsch, Benioff e Manin, propuseram a ideia de usar as propriedades especiais do entrelaçamento quântico também para executar cálculos matemáticos. Surgia, assim, a ideia de criar computadores quânticos. Mas o que é, exactamente, um computador quântico?

Num computador digital vulgar, cada número é representado como uma sequência de bits (zeros e uns). Estas sequências de bits são manipuladas por forma a obter os resultados pretendidos. Suponha, por exemplo, que se pretende factorizar um dado número, ou seja, encontrar os seus factores, dois outros números que, multiplicados entre si, dão como resultado o número original. Concretamente, suponha que se pretende factorizar o número 493. Um computador digital (ou mesmo o leitor) poderia efectuar essa tarefa tentando dividir 493 por todos os números inteiros menores que 493, tentando cada número em sequência até que um resultasse numa divisão exacta. Após tentar vários números, concluiria que 493 a dividir por 17 dá 29, sendo estes dois últimos números os factores procurados.

Um computador quântico opera de uma forma diferente, usando qubits, que são variáveis que podem tomar um de dois valores (zero ou um) mas que apenas tomam esse valor quando é efectuada uma medição. Até lá, e de acordo com as leis da física quântica, estão numa sobreposição de estados. O poder dos computadores quânticos resulta do facto de vários qubits poderem ser entrelaçados de uma forma especial, o que faz com que o resultado da medição de uma propriedade de um deles imponha os resultados dessa propriedade nos outros. Se este entrelaçamento tiver determinadas características, podem ser efectuados cálculos matemáticos complexos.

Para o mesmo exemplo da factorização do número 493, um computador quântico não tentaria achar os factores procurando sequencialmente um número que divida exactamente 493. Poderia, pelo contrário, usar um método proposto por Peter Shor, que se baseia em resolver um problema aritmético equivalente, e onde é calculada, simultaneamente, uma função quântica de todos os potenciais factores. O valor desta função permite identificar, com elevada probabilidade, que 17 (ou 29) é um factor de 493. Esta abordagem, que parece quase mágica, por testar muitas possíveis soluções ao mesmo tempo, é possibilitada pelas estranhas propriedades do entrelaçamento quântico dos qubits, conseguido usando portas lógicas quânticas.

O potencial dos computadores quânticos reside, exactamente, nesta possibilidade de explorarem, simultaneamente, muitas soluções diferentes, potencialmente biliões delas, para alguns problemas. Pelo contrário, os computadores digitais vulgares têm de explorar as possíveis soluções sequencialmente. A factorização de números inteiros muito grandes é um desses problemas, e não é um problema irrelevante. O comércio electrónico, na Internet, depende criticamente de cifras que seriam quebradas se fosse possível factorizar números inteiros de grandes dimensões.

Até ao momento, não foi possível construir computadores quânticos com um número de qubits suficiente para colocar em causa a segurança dos códigos usados na Internet, nem para resolver outros problemas fora do alcance dos computadores tradicionais. Os desafios físicos e tecnológicos que terão de ser resolvidos são muito grandes, e poderão mesmo ser inultrapassáveis. Poderá até acontecer que nunca venha a existir um computador quântico, de utilização genérica, que supere computadores digitais em cálculos como os referidos acima. Porém, mesmo que assim seja, as tecnologias de computação quântica serão, com certeza, relevantes noutras áreas, como a comunicação quântica (que usa as propriedades do entrelaçamento para propagar informação de forma segura) ou a simulação de moléculas e outros sistemas de partículas (que usa as características de determinados computadores quânticos para modelar eficientemente sistemas físicos).

No meio das obscuras notícias associadas a novas descobertas científicas, dos exageros dos fabricantes e do misticismo sempre associado à física quântica, é por vezes difícil separar a realidade da ficção. Assim, aqui fica um simples teste, para o leitor usar no futuro, um desafio sob a forma de um número inteiro que é o produto de dois primos, disponível em http://oliveira.cc/numero. Este número é demasiado grande para ser factorizado por um computador tradicional, agora ou no futuro previsível, mas pode ser factorizado por um computador quântico, suficientemente poderoso. Será que alguma vez vai existir um computador quântico capaz de o factorizar? O futuro o dirá.