Como a Computação Quântica Vai Revolucionar a Inteligência Artificial, Machine Learning e Big Data

Como a Computação Quântica Vai Revolucionar a Inteligência Artificial, Machine Learning e Big Data

Quando o primeiro computador digital do mundo foi concluído em 1946 abriu novos e vastos horizontes de possibilidades. Ainda assim, os primeiros computadores só eram usados ​​para aplicativos limitados porque só podiam ser programados no código da máquina e levava tanto tempo para preparar o computador, que ele só era usado para cálculos massivos.

Tudo mudou quando John Backus criou a linguagem de programação FORTRAN, na IBM, em 1957. Pela primeira vez, os problemas do mundo real podiam ser transformados de forma rápida e eficiente em linguagem de máquina, o que os tornou muito mais práticos e úteis. Na década de 1960, o mercado de computadores explodiu.

Como os primeiros computadores digitais, a computação quântica oferece a possibilidade de tecnologias milhões de vezes mais poderosas do que os sistemas atuais, mas a chave para o sucesso será a solução dos problemas do mundo real em linguagem quântica. Na D-Wave, a primeira empresa a oferecer a tecnologia para uso comercial, esse processo já está em andamento e revela um enorme potencial. Neste artigo, vamos investigar Como a Computação Quântica Vai Revolucionar a Inteligência Artificial, Machine Learning e Big Data.

Estamos no Limite da Capacidade de Processamento

Produzimos 2,5 exabytes de dados todos os dias. Isso equivale a 250 mil bibliotecas do Congresso Americano ou ao conteúdo de 5 milhões de laptops. Todos os minutos de cada dia, 3,2 bilhões de usuários globais da internet continuam a alimentar os bancos de dados com 9.722 pins no Pinterest, 347.222 tweets, 4,2 milhões de likes no Facebook, mais TODOS os outros dados que criamos tirando fotos e vídeos, salvando documentos, clicando em produtos em sites de compras ou propagandas, abrindo contas e muito, muito mais.

Estamos nos limites do poder de processamento de dados dos computadores tradicionais e os dados continuam crescendo. Enquanto a Lei de Moore, que prevê que o número de transistores em circuitos integrados irá dobrar a cada dois anos, se mostrou extremamente resiliente desde que o termo foi cunhado em 1965, esses transistores são agora tão pequenos quanto o que pode ser feito com a tecnologia existente. É por isso que há uma corrida dos maiores líderes do setor de tecnologia para definir quem será o primeiro a lançar um computador quântico viável que seria exponencialmente mais poderoso do que os computadores atuais para processar todos os dados que geramos todos os dias e resolver problemas cada vez mais complexos.

Para começar, vamos definir o que é Computação Quântica.

Computação Quântica

A computação quântica é a ciência que estuda as aplicações das teorias e propriedades da mecânica quântica na Ciência da Computação. Dessa forma seu principal foco é o desenvolvimento do computador quântico.

Na computação clássica o computador é baseado na arquitetura de Von Neumann que faz uma distinção clara entre elementos de processamento e armazenamento de dados, isto é, possui processador e memória destacados por um barramento de comunicação, sendo seu processamento sequencial.

Entretanto, os computadores atuais possuem limitações, como por exemplo na área de Inteligência Artificial, onde não existem computadores com potência ou velocidade de processamento suficientes para suportar uma IA avançada. Dessa forma surgiu a necessidade da criação de um computador alternativo dos usuais que resolvesse problemas de IA, ou outros como a fatoração de números primos muito grandes, logaritmos discretos e simulação de problemas da Física Quântica.

Nos últimos anos a computação desenvolveu-se com grande velocidade. Constantemente vemos empresas como Intel e AMD lançarem processadores cada vez mais velozes. Para isso é necessário manipular porções cada vez menores de matéria. Porém existe um limite para isso. Quando os transistores começam a ser fabricados com apenas algumas moléculas, fica difícil reduzir ainda mais o seu tamanho e assim ampliar a capacidade de nossos aparelhos eletrônicos.

As Leis da Física para objetos menores do que átomos são um pouco diferentes daquelas a que estamos acostumados em nosso dia a dia. No mundo subatômico, as partículas ganham ou perdem energia de maneira quantizada, em pequenos “pacotes” de energia. Um único pacote é chamado de quantum e vários pacotes são quanta (plural de quantum). Um quantum de luz, por exemplo, é chamado de fóton, a menor porção possível de energia luminosa. Podemos comprar uma lâmpada que forneça 67,579 Watts de potência. Mas um átomo nunca vai fornecer ½ fóton, apenas múltiplos de 1 fóton: 2 fótons, 3 fótons, etc.

Outra propriedade das partículas subatômicas é que elas podem assumir estados diferentes simultaneamente até que um observador determine o seu estado atual. Os nossos computadores baseados na Física Clássica trabalham essencialmente com dois estados, representados por 0 e 1. Cada um desses algarismos, 0 ou 1, são chamados de bits. Em um computador quântico, uma partícula poderia assumir o valor 0, 1, ou ambos! Esses valores são chamados qubits. O simples uso dos qubits pode aumentar exponencialmente a capacidade de processamento de um dispositivo.

Portanto, a Computação Quântica é a ciência que estuda o uso da Mecânica Quântica para realização de processamento computacional.

E o que é um Computador Quântico?

É uma máquina capaz de solucionar problemas computacionais muito difíceis de forma incrivelmente ágil. Conforme vimos na seção anterior, em computadores convencionais, a unidade de informação é o “bit” que pode assumir um valor 1 ou 0. Seu equivalente no sistema quântico – o qubit (bit quântico) – pode ser 1 e 0 ao mesmo tempo. O fenômeno permite que múltiplos cálculos sejam realizados simultaneamente. No entanto, qubits precisam ser sincronizados usando um efeito quântico conhecido como entrelaçamento, o que Albert Einstein chamou de uma “ação fantasma à distância”.

Há quatro tipos de computadores quânticos sendo desenvolvidos, que usam:

* Partículas de luz;

* Íons presos;

* Qubits supercondutores;

* Centros de vacância de nitrogênio observados em diamantes imperfeitos.

Computadores quânticos permitirão uma série de aplicações úteis, como modelar variações de reações químicas para descobrir novos medicamentos, desenvolver tecnologias de imagem para a indústria de saúde a fim de detectar problemas no corpo ou acelerar a forma como são desenvolvidas baterias, novos materiais e eletrônicos flexíveis. E claro, farão toda a diferença no processamento de dados. Considerando que IA e Machine Learning dependem de grandes conjuntos de dados (Big Data) para que sejam efetivos, não é difícil imaginar a revolução que o computador quântico pode trazer. Leia o artigo Job One for Quantum Computers: Boost Artificial Intelligence, para compreender um pouco mais o que vem por aí!

A empresa canadense D-Wave, afirma que já desenvolveu o primeiro computador quântico. Este computador busca acelerar o processamento mantendo as CPUs sob temperaturas próximas do zero absoluto. Porém muitos especialistas não consideram este equipamento como um computador quântico por não utilizar os fenômenos da Física Quântica diretamente na atividade de processamento. Assim o desempenho desta máquina não é muito superior a outros super-computadores disponíveis no mercado.

Muitos protótipos de computadores quânticos já foram testados em laboratórios de todo o mundo, porém o seu desenvolvimento em larga escala ainda é uma incógnita e dependente de muitas pesquisas e investimentos.

No Brasil há diversos núcleos de pesquisas na área da computação quântica. Há um grupo no LNCC (Laboratório Nacional de Computação Científica) formado por orientadores de projetos de iniciação científica, mestrado e doutorado. Além de grupos pertencentes as instituições de ensino superiores, com destaque para universidades do Rio de Janeiro e da Paraíba.

Computadores Quânticos Resolvem Problemas Complexos Rapidamente

Quando os gigantes da tecnologia conseguirem produzir um computador quântico comercialmente viável, é bem provável que esses computadores quânticos possam completar em segundos, os cálculos que os computadores de hoje levariam milhares de anos para calcular. Atualmente, o Google tem um computador quântico que eles afirmam ser 100 milhões de vezes mais rápido do que qualquer um dos sistemas atuais. Isso será crítico se pudermos processar a monumental quantidade de dados que geramos e resolver problemas muito complexos. A chave para o sucesso é traduzir nossos problemas do mundo real em linguagem quântica.

A complexidade e o tamanho de nossos conjuntos de dados estão crescendo mais rápido do que os nossos recursos de computação e, portanto, colocam uma pressão considerável na indústria de computação. Enquanto os computadores de hoje lutam ou são incapazes de resolver alguns problemas, esses mesmos problemas devem ser resolvidos em segundos através do poder da computação quântica. Prevê-se que a Inteligência Artificial e, em particular, o Aprendizado de Máquina (Machine Learning), possam se beneficiar dos avanços na tecnologia de computação quântica e continuarão a fazê-lo, mesmo antes de uma solução de computação quântica completa estar disponível. Os algoritmos de computação quântica nos permitem aprimorar o que já é possível com o aprendizado de máquina.

Computadores Quânticos Vão Otimizar Soluções

Outra forma em que a computação quântica facilitará uma revolução será em nossa capacidade de amostrar os dados e otimizar todos os tipos de problemas que enfrentamos, como análise de portfólio, encontrar as melhores rotas de entrega e até mesmo ajudar a determinar qual o melhor tratamento médico para cada indivíduo.

Estamos em um ponto com o crescimento do Big Data, que exige a necessidade de uma abordagem computacional diferente para lidar com grandes volumes de dados. Não só o alcance é maior, mas os problemas que estamos tentando resolver são muito diferentes. Os computadores quânticos estarão melhor equipados para resolver problemas sequenciais de forma eficiente. O poder que dão às empresas e até aos consumidores para tomar melhores decisões pode ser o que é necessário para convencer as empresas a investir na nova tecnologia quando ela estiver disponível.

Computadores Quânticos Poderiam Detectar Padrões em Grandes Conjuntos de Dados

Espera-se que a computação quântica seja capaz de fazer buscas em conjuntos de dados muito grandes e não estruturados para descobrir padrões ou anomalias, de forma extremamente rápida. Pode ser possível que os computadores quânticos acessem todos os itens em seu banco de dados ao mesmo tempo para identificar essas semelhanças em segundos. Embora isso seja teoricamente possível hoje, isso acontece apenas com um computador paralelo olhando cada registro um após o outro, por isso leva uma incrível quantidade de tempo e, dependendo do tamanho do conjunto de dados, isso nunca acontecerá.

Computadores Quânticos Podem Ajudar a Integrar Dados de Diferentes Conjuntos de Dados

Além disso, grandes avanços são esperados quando computadores quânticos estiverem disponíveis devido à integração de conjuntos de dados muito diferentes. Embora isso possa ser difícil sem intervenção humana no início, o envolvimento humano ajudará os computadores a aprender a integrar os dados no futuro. Portanto, se houver diferentes fontes de dados brutos com esquema exclusivo anexado a eles e uma equipe de pesquisa quer compará-los, um computador teria que entender a relação entre os esquemas antes que os dados pudessem ser comparados. Para conseguir isso, avanços na análise da semântica em linguagem natural precisam acontecer, um dos maiores desafios da Inteligência Artificial.

A promessa é que os computadores quânticos permitirão a análise rápida e a integração de nossos enormes conjuntos de dados que vão melhorar e transformar nossas capacidades de aprendizado de máquina e inteligência artificial.

Caso queira acompanhar a evolução desta fascinante tecnologia, confira a Quanta Magazine.

 

David Matos

 

Referências:

Inteligência Artificial Não Está Eliminando Empregos; Está Eliminando Modelos de Negócio.

Job One for Quantum Computers: Boost Artificial Intelligence

When can Quantum Annealing win?

Computação Quântica

Quantum A.I.

O Que é Computação Quântica?

Computação quântica: como será a internet super-rápida do futuro

How Quantum Computers Will Revolutionize Artificial Intelligence, Machine Learning And Big Data

Here’s How Quantum Computing Will Change The World

The Very Strange—And Fascinating— Ideas Behind Quantum Computing

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