Linguagens de programação quântica são necessárias

Como os primeiros computadores digitais, os computadores quânticos oferecem a possibilidade de uma tecnologia que é exponencialmente mais poderosa do que os sistemas atuais. Eles podem mudar empresas, indústrias inteiras e o mundo resolvendo problemas que hoje parecem impossíveis.

Embora o progresso tenha sido incrível nos últimos anos, a computação quântica ainda se encontra em fase experimental. Entretanto, de acordo com as últimas pesquisas, até 2023, 20% das organizações terão um orçamento para projetos de computação quântica.

Especialistas estimam que até 2025 já serão capazes de gerar US$780 milhões por ano em receita e economia de custos para todos os setores que decidirem investir nele. Com o avanço desta tecnologia, a poupança aumentará e estima-se que em 2050 este valor atingirá valores entre 450.000 e 850.000 milhões de dólares por ano.

Como é que isso funciona realmente?

É importante definir previamente que a computação quântica é uma teoria sobre como construir computadores. Em suma, a computação quântica um computador usa a sobreposição quântica de partículas para armazenar dados como um pouco faz em um computador clássico. Os Qubits, como são chamados, existem em estado indeterminado (1 e 0). Isto significa que eles podem ser 1, 0 ou ambos, porque o universo ainda não decidiu qual deles quer ser.

Isto permite realizar vários cálculos ao mesmo tempo, explorando as sobreposições destas desistências, abrindo a porta para a resolução de problemas que podem requerer centenas, se não milhares, de anos para serem resolvidos utilizando um computador clássico.

No entanto, a computação quântica é uma coisa excepcionalmente delicada, uma vez que manter uma partícula quântica suspensa em uma sobreposição só pode ser feita por cerca de 100 microssegundos. Além disso, também requer temperaturas extremamente frias e supercondutoras.

Este tipo de hardware torna os computadores quânticos equipamentos altamente especializados que só são realmente práticos para tarefas muito específicas neste momento, tais como a modelagem preditiva e problemas de otimização em sistemas complicados com uma grande quantidade de variáveis.

Como isso será conseguido?

Os computadores Quantum prometem resolver problemas da vida real que estão além das possibilidades dos computadores clássicos. O poder computacional desta tecnologia é baseado num conjunto de regras completamente diferente.

Essas diferentes regras de computação também significam que as linguagens de programação tradicionais não podem ser usadas para liberar o poder dos computadores quânticos, portanto novas linguagens são necessárias.

As linguagens quânticas existem desde antes do surgimento dos dispositivos quânticos reais, pois eram usadas para simular algoritmos quânticos em computadores tradicionais. Com a construção de computadores quânticos reais, cada grupo de pesquisa e empresa desenvolveu sua própria linguagem para usar em seus dispositivos.

Isto motivou a criação de mais línguas que tentam juntar alguns elementos das existentes e cujo objectivo é serem utilizadas em qualquer backend, são conhecidas como línguas quânticas universais.

A criação dessas linguagens mais gerais é possível porque quase todos estão desenvolvendo software de código aberto, ou seja, qualquer um pode contribuir para a melhoria e extensão dessas linguagens usando plataformas que oferecem hospedagem para o desenvolvimento de software.

Existem actualmente várias linguagens de programação quântica (por exemplo, Matlab, Fortran, C.), no entanto, as linguagens quânticas ainda estão em desenvolvimento, tal como os dispositivos quânticos.

Outra forma de se envolver é juntar-se ao esforço de desenvolver padrões relacionados com a computação quântica. As normas técnicas aceleram o desenvolvimento de uma tecnologia, introduzem economias de escala e fazem crescer os mercados. O desenvolvimento de hardware e software de computador quântico beneficiará de uma nomenclatura comum, por exemplo, e acordada sobre métricas para medir os resultados.

Atualmente, o Grupo de Trabalho da Associação de Padrões IEEE Quantum Computing está desenvolvendo dois padrões.

1. Definições e nomenclatura da computação quântica.
2. Métricas de desempenho e benchmarking de desempenho para permitir a medição do desempenho quântico dos computadores em relação aos computadores clássicos e, em última análise, uns contra os outros.

Desafios que você enfrenta

Como qualquer tecnologia na sua infância, a computação quântica, e portanto as linguagens de programação quântica, enfrentam uma série de desafios que podem dificultar a sua evolução.

As linguagens de programação quântica não são necessariamente linguagens completamente independentes, mas são frequentemente pacotes construídos sobre a sintaxe clássica.

Uma grande preocupação ao executar programas quânticos é o aparecimento e a acumulação de erros. Quanto mais tempo o hardware quântico for executado, maior será a taxa de erro. Portanto, é importante entender como a correção de erros pode ser feita. Nesta situação, seria muito útil se a análise fosse feita automaticamente. Embora existam diferentes tipos de análise, há uma que se destaca pela sua importância, e que é a que avalia a incerteza que vem de cada linha de código.

Por outro lado, é importante que os especialistas tenham a acumulação de erros a um nível tolerável. Para isso, seria importante ter pontos de referência para poder desenvolver otimizações, que permitam resolver essas falhas de forma orgânica e sem atrasos no desenvolvimento.

Finalmente, a depuração é outra questão a ter em conta, é um aspecto muito difícil de resolver em linguagens de programação quântica, uma vez que até agora não existem pontos de controlo disponíveis para ela.

Benefícios tangíveis

As vantagens econômicas são óbvias, porém, e não são as únicas. O benefício mais importante da computação quântica reside nas indústrias que precisam de simulações para resolver operações complexas, que requerem um poder computacional superior que um computador típico não pode oferecer.

Embora pareça que apenas as grandes empresas do sector tecnológico estão interessadas nesta tecnologia, é cada vez mais comum que as empresas de média dimensão experimentem a computação quântica em seu benefício.

• Finanças: o setor bancário apresenta uma série de problemas como otimização de carteiras, precificação de ativos, análise de risco, detecção de fraudes, previsão de mercado, que estão ao alcance dos computadores quânticos.
• Seguros: as aplicações potenciais do cálculo quântico começam com a avaliação de instrumentos financeiros (obrigações, derivativos), avaliação de opções e garantias sobre produtos de seguros; quantificação do risco operacional.
• Setor energético: otimizar a estrutura atual da rede e prever o uso são dois grandes problemas conectados, que são bem adequados para testes quânticos em computadores.
• Transporte: o melhor exemplo para o uso de computadores quânticos é a otimização do tráfego. O problema do vendedor ambulante com todas as suas variantes é um bom tipo de problema para testes em dispositivos NISQ.
• Logística: os problemas da cadeia de fornecimento relacionados com as operações são muitas vezes complexos e impossíveis de otimizar pelos computadores clássicos, e oferecem um bom potencial para a computação quântica entrar no mercado.
• Automóvel e Aeroespacial: Conduzir ou voar autonomamente, ou gerir uma grande frota de veículos coloca problemas de optimização, que aumentam rapidamente com o número de veículos. É por isso que os intervenientes na indústria automóvel estão interessados. A indústria aeroespacial também está fazendo experiências por conta própria, assim como com parceiros, desde gigantes tecnológicos até start-ups.
• Produtos químicos e farmacêuticos: A descoberta de medicamentos é um processo muito caro e a simulação de moléculas é computacionalmente exigente. Os computadores quânticos são ideais para pesquisa e desenvolvimento farmacêutico, pois são mais adequados para a realização de simulações de objetos quânticos.
• Materiais: indústrias com melhores baterias, chips ou arquiteturas de rede podem explorar a computação quântica para simular novas possibilidades ou otimizar estruturas existentes.
• Blockchain e Cybersecurity: A Blockchain baseia suas atividades principalmente em métodos criptográficos e é, portanto, propensa a ataques cibernéticos envolvendo novas tecnologias. É por isso que explorar a criptografia pós-quântica ou a cadeia de bloqueio quântica é uma boa preparação para o futuro. Há uma tendência geral entre as empresas de cibersegurança para considerar a criptografia pós-quântica, ou seja, algoritmos que são seguros para operar em um mundo com computadores quânticos poderosos.

Conclusões

Os computadores Quantum não se destinam a substituir, a curto prazo, processadores em computadores pessoais ou smartphones. Na maioria das vezes, os computadores quânticos serão mais adequados para resolver problemas de otimização, identificar padrões nos dados e realizar simulações complexas que seriam muito exigentes para os computadores tradicionais.

Estes problemas irão impulsionar o mercado global para o controle de qualidade empresarial. Mas os computadores quânticos ainda não demonstraram supremacia ou vantagem quântica. Será necessária uma escala significativa do poder de processamento, melhores capacidades de correcção de erros e escrita e refinamento da linguagem de programação quântica antes de as empresas adoptarem o controlo de qualidade em massa.