A Nova Física da Computação (por Ivan S. Oliveira)


A física nos últimos 25 anos vem sofrendo profundas transformações, decorrentes do desenvolvimento de novas técnicas de manipulação da matéria em níveis molecular e atômico. Até o início da década de 1970, os modelos microscópicos da matéria só podiam ser testados em amostras volumétricas. Assim se desenvolveram as modernas teorias sobre o magnetismo, a supercondutividade, os semicondutores, etc.  No campo da tecnologia, ninguém duvidará que a mais profunda revolução veio pela computação e pelos meios de comunicação.

No entanto, a partir de meados dos anos 1970 tornou-se possível a fabricação de estruturas “artificiais” nas quais átomos e moléculas são manuseados individualmente. Novos materiais e uma “nova física” começaram a surgir: super-redes, poços quânticos, pontos quânticos, filmes-finos, são alguns dos sistemas que mais têm sido estudados no âmbito da matéria condensada. As conseqüências tecnológicas desses estudos são igualmente novas: propriedades metálicas, semicondutoras ou isolantes podem ser produzidas em um único nanotubo de carbono; dispositivos eletrônicos, como diodos e transistores, com dimensões moleculares foram testados com sucesso em laboratório; o chamado nanomagnetismo está abrindo novas frentes e é uma das mais importantes promessas de inovação tecnológica nas próximas décadas.

No entanto, foi na mais básica das teorias físicas, a mecânica quântica,  onde surgiram as possibilidades mais fascinantes, tanto em termos científicos quanto tecnológicos.  Já no início dos anos 1960, Gordon Moore, um dos fundadores da INTEL, percebeu que o número de componentes eletrônicos nos chips dos computadores dobrava aproximadamente a cada ano e meio. Como o volume físico desses chips permanece o mesmo, a chamada lei de Moore implica que a dimensão dos componentes se reduz à metade no mesmo intervalo de tempo. Isto representa uma lei exponencial, que prevê que até o ano de 2020 cada bit de informação em um computador será representado por apenas 1 átomo!

Esta perspectiva estabeleceu uma interessante conexão entre física e computação, pois os computadores atuais – nos quais cada bit é representado por alguns bilhões  de átomos – são baseados nas leis da física clássica.   No nível atômico, no entanto, quem governa os fenômenos físicos é a mecânica quântica.

As conexões entre mecânica quântica e computação começaram a ser formalizadas no início dos anos 1980, e acabaram por originar um novo e excitante campo de pesquisa: a computação quântica e informação quântica. Nesta área, estudam-se os meios pelos quais a computação e a informação podem ser manipulados através das propriedades quânticas dos sistemas. A unidade da informação quântica, o quantum bit,  ou qbit, pode ser representada por diversos sistemas físicos: a polarização de fótons, os níveis de energia de um átomo, a direção de um spin de um núcleo, os níveis de energia de um elétron aprisionado em um poço quântico, etc.  Todos esses são sistemas quânticos; compare-os com a representação clássica de um bit!

A computação quântica não é, como alguns podem – erroneamente – pensar mais uma dentre muitas tentativas de substituição de uma tecnologia (a dos semicondutores) em vias de esgotamento.  Trata-se de um novo paradigma de computação, que pode ter  (e provavelmente terá)  profundas conseqüências, não só para a tecnologia, mas também para a teoria da informação, para a ciência da computação, e para a própria mecânica quântica. O melhor exemplo disso é o famoso algoritmo quântico de fatoração, o algoritmo de Shor (descoberto em 1994 pelo físico norte ameriacano Peter Shor). O algoritmo de Shor é capaz de fatorar um número inteiro de n bits em um tempo polinomial em n, em contraste com o melhor algoritmo clássico, que realiza a mesma tarefa em tempo exponencial em n.

Existem pelo menos duas conseqüências importantes desse fato. Primeiro a tecnológica: por ser uma tarefa difícil, a fatoração de números inteiros grandes é a base dos sistemas criptográficos de segurança. Um computador quântico poderia facilmente decifrar todos esses sistemas em apenas alguns minutos.  Segredos de Estado, transações financeiras, segredos militares, etc., se tornarão públicos da noite para o dia! Segundo, em ciência da computação:  acredita-se que não exista algoritmo clássico capaz de fatorar números grandes em tempo polinomial em n, como o faz o algoritmo de Shor. Portanto, computadores quânticos não podem ser simulados eficientemente por máquinas de Turing clássicas, o que afeta os alicerces da computação clássica! Acredita-se (ainda sem demonstração) que muitos outros problemas da mesma classe de complexidade que o problema da fatoração possam vir a ser resolvidos eficientemente por computadores quânticos, e isso levará a uma revolução na computação e na matemática pura.

A boa notícia é que vários protótipos de computadores quânticos já foram testados com sucesso em muitos laboratórios pelo mundo, inclusive no Brasil. No entanto, a computação quântica em larga escala permanece um sonho, que para se tornar realidade exigirá esforço permanente, financiamento consistente da pesquisa básica e muito tempo e dedicação em pesquisa. Este é seguramente um preço que vale a pena ser pago.