Computadores quânticos podem resolver inúmeros problemas - e criar muitos novos

Computadores quânticos podem resolver inúmeros problemas - e criar muitos novos

O “candelabro” dentro de um computador quântico é projetado para resfriar seu chip de processamento a uma temperatura inferior à do espaço sideral.

Thomas Prior por TIME
TEXTO DE CHARLIE CAMPBELL | FOTOGRAFIAS DE THOMAS PRIOR PARA TIME
26 DE JANEIRO DE 2023


Om dos segredos para construir o computador mais poderoso do mundo provavelmente está empoleirado na pia do banheiro.

No Thomas J. Watson Research Center da IBM, no condado de Westchester, no estado de Nova York, os cientistas sempre mantêm uma caixa de fio dental - Reach é a marca preferida - por perto, caso precisem mexer em seus computadores quânticos do tamanho de tambores de óleo , os mais recentes dos quais pode concluir certas tarefas milhões de vezes mais rápido que seu laptop.


Dentro da vasilha de alumínio brilhante do System One da IBM, que fica protegida pelo mesmo tipo de vidro protetor da Mona Lisa, há três cilindros de circunferência decrescente, como um conjunto de bonecas russas. Juntos, eles encerram um candelabro de fios de prata em loop que descem em cascata através de grossas placas de ouro até um chip quântico na base. Para funcionar corretamente, esse chip requer um superresfriamento de 0,015 kelvins – um pouquinho acima do zero absoluto e mais frio que o espaço sideral. A maioria dos materiais se contrai ou fica quebradiça e quebra sob o frio intenso. Mas o fio dental comum, ao que parece, mantém sua integridade notavelmente bem se você precisar prender fios rebeldes.

“Mas apenas o tipo sem cera e sem sabor”, diz Jay Gambetta, vice-presidente de quantum da IBM. “Caso contrário, os vapores liberados bagunçam tudo.”

Fotografia de Thomas Prior para TIME

É uma faceta curiosamente caseira de uma tecnologia que está pronta para transformar praticamente tudo . A capacidade única da Quantum de processar pilhas de dados já está otimizando as rotas de milhares de caminhões-tanque que atravessam o mundo, ajudando a decidir quais pacientes de UTI requerem cuidados mais urgentes e imitando processos químicos em nível atômico para projetar melhor novos materiais. Ele também promete sobrecarregar a inteligência artificial , com o poder de treinar melhor os algoritmos que podem finalmente transformar carros sem motorista e táxis drones em realidade. As simulações de IA quântica exibem um “grau de eficácia e eficiência que é incompreensível”, disse o diretor cibernético nacional dos EUA, Chris Inglis, à TIME.

Os primeiros usuários da Quantum são empresas de gerenciamento de ativos - para as quais a incorporação de cálculos quânticos envolve poucos custos indiretos - mas os usos comerciais não ficam muito atrás. A empresa espanhola Multiverse Computing executou projetos-piloto bem-sucedidos com clientes multinacionais como BASF e Bosch, que mostram que seus algoritmos quânticos podem dobrar os lucros do comércio de câmbio e detectar quase quatro vezes mais defeitos na linha de produção. “Os algoritmos quânticos de aprendizagem profunda são completamente diferentes dos clássicos”, diz Enrique Lizaso Olmos, CEO da Multiverse. “Você pode treiná-los mais rapidamente, tentar mais estratégias e eles são muito melhores em obter as correlações importantes de muitos dados.”

Os “lustres” quânticos podem parecer espetaculares, mas não são práticos para a próxima geração de computadores. Em vez disso, a IBM projetou um cabeamento flexível para substituir os fios em loop.

Thomas Prior por TIME

Os dados recebidos dos computadores quânticos devem ser alimentados ao rack de sistemas eletrônicos de controle clássico para processar os cálculos. Thomas Prior por TIME

Gigantes da tecnologia, do Google à Amazon e Alibaba – sem mencionar os estados-nação que disputam a supremacia tecnológica – estão correndo para dominar esse espaço. A indústria global de computação quântica está projetada para crescer de US$ 412 milhões em 2020 para US$ 8,6 bilhões em 2027, de acordo com uma análise da International Data Corp.

Enquanto os computadores tradicionais dependem de “bits” binários – liga ou desliga, indicados como 1s e 0s – para processar informações, os “qubits” que sustentam a computação quântica são minúsculas partículas subatômicas que podem existir em alguma porcentagem de ambos os estados simultaneamente, em vez de como uma moeda girando no ar. Esse salto de processamento dual para multivariado aumenta exponencialmente o poder de computação. Problemas complexos que atualmente levam vários anos para o supercomputador mais poderoso podem ser resolvidos em segundos. Futuros computadores quânticos podem abrir fronteiras até então insondáveis ​​em matemática e ciência, ajudando a resolver desafios existenciais como mudança climática e segurança alimentar. Uma enxurrada de avanços recentes e investimentos do governo significa que agora estamos à beira de uma revolução quântica.


Mas qualquer disruptor vem com riscos, e o quantum se tornou uma enxaqueca de segurança nacional. Sua capacidade de resolução de problemas logo tornará obsoleta toda a criptografia existente, comprometendo comunicações, transações financeiras e até defesas militares. “As pessoas descrevem o quantum como uma nova corrida espacial”, diz Dan O'Shea, gerente de operações da Inside Quantum Technology, uma publicação do setor. 

Em outubro, o presidente dos EUA, Joe Biden, visitou o data center quântico da IBM em Poughkeepsie, NY, chamando o quantum de “vital para nossa economia e igualmente importante para nossa segurança nacional”. Nesta nova era de competição entre grandes potências, a China e os Estados Unidos estão particularmente empenhados em conquistar a tecnologia para não perderem terreno vital. “Esta tecnologia será a próxima revolução industrial”, diz Tony Uttley, presidente e COO da Quantinuum, uma empresa com sede no Colorado que oferece aplicações quânticas comerciais. “É como o início da internet ou o início da computação clássica.”

Os chips quânticos são extremamente sensíveis. Este processador quântico da IBM de uma década foi usado em um experimento que provou como as microondas de fundo afetam os qubits.

Thomas Prior por TIME

Na verdade, é surpreendente que a computação tradicional tenha nos levado tão longe. Do pioneiro Apple II do final dos anos 1970 aos smartphones e supercomputadores de hoje, todos os processadores dividem as tarefas em binário. Mas a vida é tão complexa que transmitir informações de maneira tão rudimentar é como tocar um concerto de Rachmaninoff em código Morse.


O quântico também está mais em sintonia com a natureza. Moléculas - os blocos de construção do universo - são múltiplos átomos unidos por elétrons que existem como parte de cada um. A maneira como esses elétrons ocupam essencialmente dois estados ao mesmo tempo é o que as partículas quânticas replicam, apresentando aplicações para ciências naturais e materiais ao prever como as drogas interagem com o corpo humano ou como as substâncias atuam sob corrosão. A fabricação tradicional faz suposições calculadas para fazer avanços por meio de tentativa e erro; ao espelhar o mundo natural, o quantum deve permitir que os avanços sejam projetados propositadamente.

Enquanto as maiores empresas do mundo, ao lado de centenas de startups, clamam para aproveitar o quantum, a IBM emergiu nos últimos anos como líder do setor. Hoje, a empresa tem mais de 60 computadores quânticos em funcionamento – mais do que o resto do mundo combinado – e uma lista de colaboradores que inclui titãs de praticamente todos os setores, da Exxon-Mobil à Sony. É um retorno bem-vindo ao apogeu da tecnologia para a célebre empresa, fundada há mais de um século para produzir máquinas de tabulação alimentadas com cartões perfurados. Nos últimos anos, a IBM ficou para trás de rivais como Apple e Microsoft por não tomar a iniciativa com computação em nuvem e IA. Quantum oferece alguma redenção. “É ótimo estar de volta ao topo”, diz um executivo. “Não é segredo que deixamos as coisas escaparem ao não pular nas nuvens.”


Em novembro, a IBM revelou seu novo chip Osprey de 433 qubits - o processador quântico mais poderoso do mundo, cuja velocidade, se representada em bits tradicionais, excederia em muito o número total de átomos no universo conhecido. A IBM tem mais de 20 computadores quânticos disponíveis em seu kit de ferramentas quânticas de código aberto Qiskit, que já foi baixado mais de 450.000 vezes até o momento. Para construir uma indústria em torno do quantum, algumas máquinas são de uso gratuito, enquanto clientes pagantes, como startups e acadêmicos, podem acessar outras mais poderosas remotamente em regime de locação. A IBM tem um roteiro ousado para lançar um processador de 1.121 qubits este ano e, até 2025, superar 4.000 qubits criando circuitos quânticos modulares que ligam vários chips de processadores no mesmo computador. “A modularidade é um grande ponto de inflexão”, diz Dario Gil, Vice-presidente sênior e diretor de pesquisa da IBM. “Agora temos uma maneira de projetar máquinas que terão dezenas de milhares de qubits.”

Dentro do laboratório de pesquisa da IBM em Yorktown Heights, Nova York

Thomas Prior por TIME

Laboratório de pesquisa da IBM em Yorktown Heights, Nova York.

Thomas Prior por TIME

Os usos industriais da Quantum são ilimitados. Dentro da sede da BMW em Munique, há uma parede que dá aos projetistas de veículos noites sem dormir. Criar um novo modelo de carro do zero leva pelo menos quatro anos. Primeiro, os designers usam estilo assistido por computador para esboçar um exterior que combina beleza com praticidade. Em seguida, um modelo em escala é esculpido em argila e colocado em um túnel de vento para avaliar a aerodinâmica. Depois de inúmeras decisões sobre interior, desempenho do motor e assim por diante, vem o teste final: um protótipo é conduzido a 35 mph naquela parede lendária para testar seu desempenho em uma colisão. Se o carro não atender a vários critérios de segurança, ele volta à prancheta.


É aqui que o quantum pode ajudar, prevendo com precisão o desempenho de materiais complexos de diferentes formas sob estresse. “Testes de colisão simulados robustos podem economizar até seis meses em todo o processo”, diz Carsten Sapia, vice-presidente de estratégia, governança e segurança de TI do BMW Group, que fez parceria com a empresa quântica francesa Pascal. “A computação quântica também nos ajudará a encontrar o novo ideal entre design, espaço interior máximo e melhor aerodinâmica.”

Isso é apenas o começo. Os negócios modernos estão repletos de problemas de otimização que são ideais para algoritmos quânticos e podem economizar tempo, energia e recursos. “Não estamos apenas construindo a tecnologia, temos que permitir que a força de trabalho a use”, explica Katie Pizzolato, diretora de estratégia quântica e pesquisa de aplicativos da IBM.

Sapia diz que encontrar usos para a tecnologia é fácil; o desafio será garantir que todas as divisões da BMW possam utilizá-lo. A BMW já não consegue se comunicar da Europa com seus carros na China para manutenção e monitoramento de software de direção devido a restrições cada vez mais rígidas na transferência de dados entre fronteiras. “No futuro, contaremos com acesso à tecnologia quântica em todos os lugares do mundo para administrar nossos negócios”, diz Sapia. “Então, como podemos configurá-lo para que, não importa o que aconteça em uma escala geopolítica, ainda tenhamos acesso a essa tecnologia?”

O “candelabro” completo dentro de um computador quântico.

Thomas Prior por TIME

Nos últimos anos , o quantum passou de uma nota de rodapé para o topo da agenda de segurança global. Até o momento, 17 países têm estratégias quânticas nacionais e mais quatro as estão desenvolvendo. A China investiu cerca de US$ 25 bilhões em pesquisa quântica desde meados da década de 1980, de acordo com o Quantum Computing Report. Seu principal cientista quântico, Pan Jianwei, liderou o lançamento do primeiro satélite quântico do mundo em 2016 e em 2021 revelou um computador quântico de 56 qubits que quebrou o recorde. O 14º Plano Quinquenal da China , publicado em março de 2021, tornou o domínio do quantum uma prioridade política. “A linha tênue entre a indústria e a segurança nacional na China lhes dá uma vantagem”, diz David Spirk, ex-diretor de dados do Departamento de Defesa.


Em resposta, a Casa Branca publicou em maio um Memorando de Segurança Nacional que ordenava que todas as agências federais fizessem a transição para a segurança pós-quântica devido a “riscos significativos para a segurança econômica e nacional”. Dado que a atualização da infraestrutura crítica pode levar décadas e, literalmente, tudo conectado à Internet está em risco, o ímpeto é agir agora. “Percebemos que, embora [o quantum seja] maravilhoso para a humanidade, a primeira coisa que as pessoas farão é armar esses sistemas”, diz Skip Sanzeri, fundador e COO da QuSecure, uma empresa de segurança cibernética pós-quântica alistada pelo exército e federal dos EUA. governo para lidar com o que ele diz que poderia ser uma atualização de segurança cibernética de US $ 1 trilhão.

Ainda assim, Spirk teme que os EUA corram o risco de ficar para trás e está pedindo um foco quântico “semelhante ao Projeto Manhattan”. Dos mais de US$ 30 bilhões gastos globalmente em quantum no ano passado, de acordo com o Fórum Econômico Mundial, a China representou cerca de metade e a UE quase um quarto. A Iniciativa Quantum Nacional dos EUA, por sua vez, gastou apenas US$ 1,2 bilhão – um número que Spirk chama de “trivial” contra US$ 1 trilhão em gastos totais com defesa. “Esta não é uma onda que vem”, diz ele, “está aqui”.


As apostas não poderiam ser maiores. Hoje, praticamente toda a segurança cibernética – sejam mensagens do WhatsApp, transferências bancárias ou apertos de mão digitais – é baseada no RSA, um algoritmo de criptografia assimétrica usado para transferir dados com segurança. Mas enquanto um computador normal precisa de bilhões de anos para quebrar o RSA, um computador quântico rápido levaria apenas algumas horas. Em dezembro, uma equipe de cientistas na China publicou um artigo afirmando ter um algoritmo quântico que poderia quebrar o RSA com um computador de 372 qubits (embora suas conclusões sejam muito debatidas). A corrida agora é para criar segurança pós-quântica - um trabalho que cabe ao Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA, ou NIST. Em 2016, o NIST anunciou uma competição para programadores proporem novos algoritmos de criptografia pós-quântica. Os resultados foram mistos: um dos finalistas anunciado em 5 de julho de 2022,


De certa forma, já é tarde demais. Embora os computadores quânticos poderosos o suficiente para quebrar o RSA estejam a alguns anos de estar disponíveis abertamente, os hackers já estão apreendendo e armazenando dados confidenciais sabendo que poderão acessá-los via quantum muito em breve. “Todo dia que você não converte para um protocolo de segurança quântica, não há plano de recuperação”, diz Gil.

A casca de vidro ao redor do computador quântico permite que a IBM controle rigidamente a temperatura interna. Isso é crítico para o chip quântico, que deve ser mantido em uma fração acima do zero absoluto.

Thomas Prior por TIME

A guerra na Ucrânia também serviu como um alerta. É o primeiro conflito intenso da história a começar com ataques cibernéticos, já que a Rússia alvejou comunicações e infraestrutura vitais para estabelecer as bases para seu ataque militar. Serviços públicos, redes de energia, mídia, bancos, empresas e organizações sem fins lucrativos foram submetidos a um cyber-blitzkrieg, impactando a distribuição de medicamentos, alimentos e suprimentos de emergência. A guerra moderna e os mecanismos de segurança nacional baseiam-se na velocidade e na precisão da tomada de decisões. “Se o seu computador for mais rápido que o deles, você ganha, é bem simples”, diz Spirk. “Quantum é o próximo salto.”


Mas intenções malignas são apenas um perigo. Com os EUA envolvidos em uma nova Guerra Fria, também não está claro se a China e a Rússia adotariam novos protocolos NIST, até porque, no passado, a criptografia RSA teria sido violada pela Agência de Segurança Nacional dos EUA. Em setembro, o conselheiro de Segurança Nacional, Jake Sullivan, disse que o quantum teria “uma importância descomunal na próxima década”, acrescentando que os controles de exportação poderiam ser usados ​​para manter a vantagem dos EUA. Padrões de segurança pós-quânticos competitivos nas esferas de influência de Washington e Pequim têm o potencial de dividir o mundo em blocos divergentes, com graves implicações para o comércio global. “[A] balcanização do que conhecemos hoje como uma internet livre e aberta é claramente possível”, diz Inglis.

A apreensão em torno do quantum não decorre apenas dos riscos de segurança. Confiamos nos computadores clássicos em parte porque podemos verificar seus cálculos com caneta e papel. Mas os computadores quânticos envolvem uma física tão misteriosa e lidam com problemas tão complexos que a verificação tradicional é extremamente complicada. Por enquanto, é possível simular muitos cálculos quânticos em um supercomputador tradicional para verificar o resultado. Mas logo chegará um momento em que confiar em um computador quântico exigirá um salto de fé. “A construção de confiança em todo o ecossistema agora é muito importante”, diz Uttley.


A Boeing, por exemplo, trabalha com a equipe quântica da IBM desde 2020 no projeto de novos materiais para sua próxima geração de aeronaves. Mas, dados os riscos colossais de reputação, a empresa não tem pressa. “As ferramentas de modelagem que usamos para projetar nossos aviões são monitoradas de perto”, diz Jay Lowell, engenheiro-chefe de computação e redes disruptivas da Boeing. “Transformar [quantum] em um código operacional é um enorme, enorme obstáculo.”

Um que a IBM conhece muito bem. Mas, ao tornar seus computadores quânticos de código aberto e acolher acadêmicos e empreendedores de todo o mundo, a empresa espera mitigar a hesitação. Como Gil coloca, “esta é uma nova fronteira da humanidade”.

—Com reportagem de Leslie Dickstein