Leonardo Novo e Shantanav Chakraborty são alunos de doutoramento no Instituto Superior Técnico. Yasser Omar (à direita) recorda que, até à data, ainda não tinha sido possível apurar o comportamento de algoritmos dos passeios quânticos com falhas nas ligações
Imagine uma pessoa perdida numa floresta. À medida que procura o caminho certo, depara-se com várias alternativas. E consoante a intuição escolhe o caminho que o poderá levar a outro cruzamento ou bifurcação, até descobrir a saída. É assim que as pessoas se comportam nos denominados passeios aleatórios clássicos e é esta a lógica dos “zeros” e “uns” que serve de base à programação e à informática convencionais. Com uma partícula quântica, a resolução do problema será totalmente diferente – e os computadores passam a processar e a pesquisar a informação de forma muito mais rápida. Pelo menos é essa a expectativa dos investigadores do Instituto de Telecomunicações (IT) que assinam, juntamente com peritos da Google, o mais recente artigo sobre passeios quânticos na revista Scientific Reports, do grupo da prestigiada Nature.
Os computadores quânticos já existem – mas ainda faltam aplicações, ferramentas e software que permitam tirar partido destas máquinas que aceleram exponencialmente o processamento de informação. Com o artigo “Quantum Walks: Optimal Spatial Search and Transport on Non-Regular Graphs”, os alunos do Programa de Doutoramento em Física e Matemática da Informação do Instituto Superior Técnico criaram uma base de trabalho que permite confirmar que um modelo de algoritmos conhecido por Quantum Spatial Search está apto a ter um desempenho considerado ótimo mesmo quando sofre falhas ou erros. «Sabe-se que as máquinas que correm os algoritmos nunca serão perfeitas, e sabe-se que os defeitos estão presentes no mundo real. E por isso a Google teve interesse neste trabalho», explica Yasser Omar, coordenador do Grupo de Física da Informação.
Além de ter investido uma soma milionária para se tornar numa das poucas organizações no mundo com um computador quântico da marca DWave, a Google também tem vindo a trabalhar no desenvolvimento de máquinas capazes de lidar com os qubits. Só que máquinas como a D-Wave têm uma limitação: não têm forma de resolver as falhas contidas em algoritmos.
«Estamos numa era em que os primeiros computadores quânticos, com um número razoável de bits quânticos, estão a ser construídos. Este tipo de estudos é importante para perceber que tipo de algoritmos se podem correr, tendo em conta os inevitáveis erros experimentais, ou até que ponto será necessário melhorar as experiências e diminuir os erros para podermos ter algoritmos quânticos que resolvem problemas muito mais rapidamente do que os computadores comuns», explica Leonardo Novo, investigador do IT que, juntamente com Shantanav Chakraborty, que também é investigador do IT, tem a principal autoria do artigo na Scientific Reports da Nature.
Para saberem como é que um algoritmo típico dos passeios quânticos se comporta perante uma falha, os investigadores do IT e da Google tiveram de fazer vários cálculos matemáticos que permitem apurar qual o desempenho de uma rede de pontos interligados. Tudo levaria a crer que ao quebrar algumas ligações de um ou mais pontos o algoritmo o algoritmo acabaria por perder eficiência, mas o cenário matemático apurado foi bem diferente: «Descobrimos que esse algoritmo mantém um desempenho ótimo, que era algo que ninguém sabia, porque se julgava que o desempenho desse algoritmo dependia da simetria, que garante que todos os pontos da rede têm o mesmo número de ligações, quando não existem falhas ou erros».
O tema não será o mais acessível para quem não tem um doutoramento na matéria, e por isso Leonardo Novo tem de puxar pela capacidade metafórica para mostrar como é que os passeios quânticos contribuem para a evolução da informática: «No caso dos passeios quânticos, podemos imaginar que substituímos o viajante perdido por uma partícula quântica, como por exemplo um eletrão, responsável pela familiar corrente elétrica, ou um fotão, partícula responsável pela radiação eletromagnética da qual fazem parte a luz visível ou os raios X. Uma partícula quântica comporta-se de maneira muito pouco intuitiva, pois pode seguir vários caminhos ao mesmo tempo em sobreposição quântica. No entanto, se medirmos onde está a partícula, observamos que está num só lugar. Este comportamento, embora muito pouco intuitivo, foi comprovado inúmeras vezes em experiências».
Complicado? Os números talvez ajudem a perceber um pouco melhor o tal fenómeno da sobreposição quântica que leva uma partícula a assumir vários estados em simultâneo. «O bit, que é a unidade básica de informação que usamos nos computadores convencionais, tem dois estados possíveis: 0 ou 1. O bit quântico, pode estar em sobreposição de 0 e 1. Se pensarmos no bit clássico como uma seta, que pode apontar para cima ou para baixo, podemos pensar no bit quântico como uma seta que pode apontar em qualquer direção. Isto significa que para descrevermos um bit quântico precisamos de dois números, para dois bits precisamos de 4, e assim vai crescendo exponencialmente. Dez bits quânticos podem estar em sobreposição de 1024 estados diferentes ao mesmo tempo, enquanto 10 bits clássicos estão num só estado, entre 1024 possibilidades. Isso significa que o conjunto de operações que se podem aplicar a bits quânticos é muito mais vasto e por isso os algoritmos quânticos são bastante diferentes».
Yasser Omar aponta uma área em que facilmente se percebe a utilidade da informática quântica e dos algoritmos que funcionam mesmo quando nem todos os pontos estão interligados: «A maior parte das redes que usamos na prática têm essas características, como por exemplo a Internet ou o Facebook».
Mesmo com todos os erros, falhas ou ausências, o volume de informação produzida pela humanidade não para de aumentar. E esse é também um dos motivos que levou algumas marcas a apostarem na computação quântica. «Este artigo tem impacto no sentido de perceber em que tipo de bases de dados se pode fazer uma busca usando passeios quânticos. Os algoritmos de busca podem ser uma importante aplicação dos computadores quânticos, pois consegue-se provar que podem ser muito mais rápidos que os algoritmos clássicos que correm num computador comum», acrescenta Leonardo Novo.
