A supremacia quântica é a capacidade da computação quântica de resolver problemas que os computadores clássicos não conseguem. É um marco na computação que tem sido objeto de intensas pesquisas, tanto teóricas quanto práticas.

A supremacia quântica pode ser alcançada de duas maneiras: desenvolvendo um computador quântico que pode resolver um problema que nenhum computador clássico pode, ou desenvolvendo um algoritmo quântico que pode ser usado para resolver um problema mais rápido do que qualquer algoritmo clássico.

Para alcançar a supremacia quântica, os pesquisadores devem desenvolver computadores quânticos com grande número de qubits (bits quânticos) e baixas taxas de erro, além de algoritmos quânticos mais eficientes que os algoritmos clássicos.

A corrida pela supremacia quântica provocou uma intensa competição entre os principais players no campo da computação quântica, cada um tentando desenvolver os mais poderosos computadores e algoritmos quânticos. 

A corrida pela supremacia quântica está sendo impulsionada principalmente pelo setor privado, com grandes empresas como Google, Intel, IBM, Microsoft e outras investindo pesadamente em pesquisa e desenvolvimento de computação quântica.

Em fevereiro, um estudo do Google, divulgado na Nature, chocou a comunidade científica, mostrando que a empresa tinha conseguido conquistar um passo literalmente GIGANTE na área. Vamos falar mais sobre esse avanço e o que isso pode influenciar na medicina. Acompanhe!

O que é computação quântica?

A computação quântica é um ramo da computação que usa um tipo diferente de tecnologia para processar informações. Ela usa bits quânticos, ou qubits, para armazenar e processar informações em vez dos tradicionais bits binários usados na computação clássica. 

Esses qubits podem existir em vários estados ao mesmo tempo, o que permite que os computadores quânticos executem cálculos complexos muito mais rapidamente do que os computadores clássicos. Além disso, eles podem “se comunicar” em uma velocidade maior do que a da luz.

Qual foi o avanço do Google e por que ele é tão relevante?

Muitas vezes, nas notícias sobre os avanços da computação quântica, enfoca-se no número de qubits (bits quânticos) do processador que uma empresa conseguiu desenvolver. No entanto, esse é apenas um lado da moeda: afinal, quanto maior o número de qubits, maior a chance de erros e isso torna um computador quântico funcional inviável.

Vamos lá: o Google tem um computador de 72 qubits, o sycamore. Já a IBM tem o Osprey com 433 qubits. Pela lógica quantitativa, os números da IBM são muito mais impressionantes. Entretanto, o Google fez uma avanço em outro sentido tão importante quanto esse. Eles desenvolveram um método de correção de erros que aproxima os computadores quânticos da funcionalidade para problemas reais, fazendo com seu uso cotidiano se torne mais real no futuro. 

Por que a computação quântica é tão importante na medicina e em outras áreas?

A implementação efetiva da computação quântica significa provavelmente uma nova Revolução Digital. Afinal, esses computadores potencialmente poderiam realizar tarefas impossíveis para a computação tradicional.

Descoberta e desenvolvimento de medicamentos

A computação quântica pode ser usada para desenvolver novas moléculas com propriedades semelhantes às de medicamentos, permitindo um desenvolvimento de medicamentos mais rápido e preciso. Também pode ser usado para simular proteínas e outras moléculas biológicas, fazendo com que os pesquisadores entendam melhor como elas interagem com drogas em potencial.

Além disso, a computação quântica também pode ser usada para identificar possíveis alvos de drogas e desenvolver novas drogas. A computação quântica pode ajudar os pesquisadores a analisar grandes quantidades de pesquisas primárias para identificar com precisão os melhores alvos de drogas e desenvolver novos tratamentos.

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Diagnóstico e tratamento de doenças

A computação quântica pode ser usada para analisar grandes quantidades de dados genômicos e proteômicos, ajudando os médicos a entender melhor as causas das doenças e identificar possíveis tratamentos adaptados às necessidades individuais dos pacientes. 

Também pode ser usada para analisar grandes quantidades de dados do paciente, ajudando os médicos a entender doenças complexas e identificar os melhores tratamentos com base em dados populacionais e individuais. Portanto, a computação quântica pode ser usada para diagnosticar doenças e desenvolver tratamentos e intervenções sob medida para as necessidades individuais dos pacientes. 

Análise de imagens

A computação quântica pode ser usada para processar e analisar imagens médicas, como exames de ressonância magnética e raios-X, de forma mais rápida e precisa do que os métodos tradicionais. Seria possível desenvolver algoritmos mais próximos do raciocínio clínico empregado pelo médico, facilitando o trabalho do radiologista.

Otimização de ensaios clínicos

A otimização de ensaios clínicos é o processo de usar computação e algoritmos para otimizar o design de ensaios clínicos. O desenvolvimento da computação quântica tem o potencial de revolucionar a indústria farmacêutica, permitindo que os ensaios clínicos sejam mais eficientes e precisos.

O uso da computação quântica em ensaios clínicos permite que os pesquisadores analisem conjuntos de dados maiores sobre a população de pacientes participantes, identificando fatores epidemiológicos e vieses “invisíveis” aos computadores tradicionais.

Como entender a computação quântica?

A mecânica quântica é um ramo fundamental da física que lida com o comportamento da matéria e da energia no nível atômico e subatômico. Explica o comportamento da matéria e da energia, bem como as interações entre elas, no nível quântico.A computação quântica é uma forma de computação que se baseia nos princípios dessa área para realizar cálculos computacionais e processar dados. Mas quais são esses princípios?

Princípio da Incerteza de Heisenberg

Esse princípio afirma que há determinadas propriedades de um sistema que estão intimamente ligadas entre si de modo que medir uma delas torna a medida da outra extremamente imprecisa. Por exemplo, é impossível saber a posição exata e o momento (massa vezes velocidade) de uma partícula ao mesmo tempo.

Princípio da dualidade onda-partícula

Esse princípio afirma que elétrons e fótons podem se comportar tanto como partículas quanto como ondas. Os princípios fundamentais da física quântica estão enraizados na ideia de que toda a matéria exibe comportamento semelhante a onda e partícula e a dualidade onda-partícula. Essa dualidade onda-partícula afirma que a matéria e a luz podem existir tanto na forma de onda quanto na forma de partícula, e as propriedades de onda e partícula são determinadas pela perspectiva do observador.

Princípio da superposição

Esse princípio afirma que um sistema quântico pode existir em múltiplos estados ou múltiplas superposições desses estados ao mesmo tempo. É o famoso exemplo da metáfora do Gato de Schrödinger, que está “vivo e morto” antes de abrirmos a caixa para verificar o estado. Por esse princípio, um elétron pode ser onda e partícula simultaneamente antes da medição do seu estado.

Na computação quântica, o emaranhamento quântico é usado para permitir operações quânticas entre duas ou mais partículas fisicamente isoladas umas das outras. Afinal, quando duas partículas se entrelaçam, elas se unem e se comportam como uma única partícula, mesmo que estejam separadas por uma grande distância. Isso significa que o estado de uma partícula pode afetar o estado da outra partícula mesmo quando elas não estão interagindo fisicamente.

Na computação quântica, o emaranhamento quântico é usado para criar qubits, ou bits quânticos, que são pequenas partículas que representam e armazenam informações. O emaranhamento quântico permite que esses qubits interajam e se emaranhem uns com os outros. Isso permite operações quânticas, como o teletransporte quântico, que permite que as informações sejam transferidas de um qubit para outro sem realmente viajar pelo espaço físico. O emaranhamento quântico também possibilita que um grande número de qubits interaja e se emaranhe, o que é necessário para realizar cálculos extremamente complexos.

Princípio do emaranhamento

Duas partículas que interagem entre si podem se emaranhar, o que significa que suas propriedades se entrelaçam. Assim, o estado de uma partícula pode afetar instantaneamente o estado da outra, mesmo que estejam separadas por grandes distâncias. A alteração do estado, portanto, pode ocorrer em uma velocidade da luz.

Na computação quântica, o emaranhamento quântico é usado para permitir operações quânticas entre duas ou mais partículas fisicamente isoladas umas das outras. Afinal, quando duas partículas se entrelaçam, elas se unem e se comportam como uma única partícula, mesmo que estejam separadas por uma grande distância. Isso significa que o estado de uma partícula pode afetar o estado da outra partícula mesmo quando elas não estão interagindo fisicamente.

Princípio de Exclusão de Pauli

Esse princípio afirma que dois férmions idênticos não podem ocupar o mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Férmions são as partículas que formam matéria, como os elétrons. São diferentes dos bósons, como o fóton, que transportam energia através de seus campos. O princípio é importante para a compreensão de por que os elétrons se organizam em níveis de energia ao redor do átomo. Afinal, dois elétrons não poderão ocupar o mesmo nível de energia, pois são férmions e não podem ocupar o mesmo estado simultaneamente;

Princípio de tunelamento quântico

Esse princípio afirma que as partículas podem atravessar barreiras que, de outra forma, seriam impenetráveis. Cada partícula e cada barreira têm seu próprio nível de energia. Para ultrapassar a barreira o nível de energia cinética (movimento) deve ser maior do que o nível de energia potencial da barreira. 

Por exemplo, o tunelamento quântico é um fenômeno no qual partículas, como elétrons e prótons, podem atravessar barreiras pelas quais normalmente não seriam capazes de passar, mesmo que a barreira seja mais espessa que o comprimento de onda da partícula. 

O tunelamento quântico é um fenômeno importante na física e tem sido usado para explicar fenômenos como o decaimento de partículas radioativas e o comportamento de elétrons em semicondutores (algo importante para explicar por que a informação pode se perder mesmo na computação tradicional).  Além disso, é usado na computação quântica para armazenar e processar informações.

Como funcionam os computadores quânticos?

Os princípios da mecânica quântica podem ser usados de múltiplos modos para desenvolver computadores quânticos. Na verdade, cada empresa vem testando diversos métodos. Acredito que aquela que encontrar o mais efetivo possivelmente se tornará a maior empresa de todas as áreas, assim como aconteceu com a Microsoft e a Apple. É por isso que a corrida é tão acirrada. Tem até empresa farmacêutica entrando no jogo.

Computação pelo tunelamento quântico

Os computadores de tunelamento quântico são computadores que usam o tunelamento quântico para fazer cálculos. O tunelamento quântico é um fenômeno da física em que as partículas podem atravessar barreiras que não deveriam ser capazes de atravessar devido a efeitos quânticos. É um fenômeno quântico que permite que as partículas atravessem barreiras de energia que seriam impossíveis de atravessar.

Os computadores de tunelamento quântico utilizam a propriedade do tunelamento quântico para enviar qubits através de barreiras que de outra forma não seriam possíveis. Isso permite que eles processem e armazenem rapidamente grandes quantidades de dados. Ou seja, a medição da presença e da ausência de uma partícula após uma barreira pode servir como porta lógica para a computação. O primeiro computador de tunelamento quântico foi desenvolvido em 2020 e atualmente está sendo usado em pesquisa e desenvolvimento.

Computação quântica pelo emaranhamento quântico

A superposição na computação quântica é um conceito que afirma que um sistema quântico pode existir em vários estados diferentes ao mesmo tempo. Isso significa que várias operações podem ser realizadas simultaneamente, aumentando o poder computacional dos computadores quânticos. A superposição é uma propriedade quântica que ocorre quando um sistema quântico, como um qubit, um átomo ou um fóton, está em dois ou mais estados ao mesmo tempo. Isso permite que um computador quântico explore várias soluções para um problema simultaneamente, em contraste com os computadores clássicos que se limitam a processar uma operação por vez.

Para ilustrar o conceito de superposição, considere um qubit, que é uma unidade de informação quântica que pode estar no estado de 0, 1 ou uma combinação de ambos. Quando um qubit está no estado de superposição, diz-se que está em uma superposição quântica de 0 e 1, o que significa que está simultaneamente nos estados 0 e 1. Isso permite que o qubit explore várias soluções para um problema ao mesmo tempo, aumentando muito o poder computacional dos computadores quânticos.

Isso também permite operações quânticas, como o teletransporte quântico, que permite que as informações sejam transferidas de um qubit para outro sem realmente viajar pelo espaço físico, uma propriedade que pode revolucionar a segurança digital. Afinal, os dados não serão passíveis de interceptação. 

Portanto, a supremacia quântica poderá ser a maior revolução vista até hoje, possibilitando o avanço técnico-científico da humanidade de forma inédita. Os desafios são grandes e ainda estamos relativamente longe de fazer um computador quântico funcional para ser usado no dia a dia corporativo. Quando isso acontece, contudo, a medicina não será mais a mesma, — tenha certeza! O avanço da correção de erros do Google nos mostra que esse futuro é possível!

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