Computação Quântica e Nanotecnologia


  1. O que é computação quântica?
    De modo geral e simplificado, a computação quântica nada mais é do que a aplicação das teorias e propriedades da mecânica quântica ao computador. Claro que isto envolve muito mais coisas do que podemos imaginar, mas em resumo, é disto que se trata.


    Um computador quântico (também conhecido como CQ) é capaz de realizar cálculos utilizando propriedades da mecânica quântica, como a teoria da sobreposição, que será explicada com maiores detalhes mais abaixo. Em teoria, os computadores quânticos são assustadoramente mais rápidos do que o PCs que temos hoje, mas a própria física quântica possui seus limitadores.
    Um CQ pode ser construído a partir de fótons, nêutrons, prótons, elétrons e até mesmo pósitrons, aquelas partículas presentes no átomo que você estudou nas aulas de química do colégio. Sendo assim, já é de se imaginar que os computadores quânticos, pelo menos os processadores, possuirão um tamanho mais do que diminuto, em escala atômica.

    E o que muda?

    A quantidade de mudanças que seriam causadas pela criação de um computador quântico é enorme. Não há como estimar com precisão quais seriam todas as alterações, mas algumas delas são previsíveis, e sem grandes esforços.
    O fato de trabalhar com partículas atômicas torna possível a construção de computadores que sejam tão pequenos a ponto de não serem visíveis a olho nu. Enganam-se aqueles que pensaram que a velocidade de processamento é similar ao tamanho. Os computadores quânticos são centenas de milhares de vezes mais rápidos que todos os PCs e notebooks que existem atualmente juntos.
    Tal velocidade se dá justamente pela utilização de partículas atômicas em sua construção, uma vez que elas possuem velocidade próxima à da luz, e o processamento das informações poderia ser feito em total paralelismo, e até mesmo em outra dimensão.

    Criptografia


    Toda esta velocidade coloca em xeque um dos principais mecanismos de proteção e segurança de dados: a criptografia. Dependendo do algoritmo de criptografia utilizado para a proteção de algum dado, o melhor computador existente atualmente levaria milhares de anos para quebrar a chave e decodificar os dados.
    Para um computador quântico realizar esta tarefa, alguns segundos seriam mais do que suficientes para que o código fosse quebrado e os dados revelados. A única maneira de contornar este problema seria a criação da criptografia quântica, considerada totalmente segura e praticamente inquebrável.

    Problemas clássicos.
    Toda esta velocidade quântica é realmente útil na solução de apenas três problemas que os computadores atuais não são capazes de fazer em tempo hábil: fatoração de números inteiros com milhares de bits, logaritmo discreto e simulação de física quântica.
    Para que um computador com a tecnologia atual resolvesse a fatoração de um número realmente grande, por exemplo, seria necessário ter uma máquina com tamanho maior ao Universo do qual temos conhecimento, ou seja, algo realmente inviável.
    Outro problema que seria facilmente resolvido por um computador quântico diz respeito à busca de dados e informações em um banco de dados totalmente desordenado. O que poderia levar anos nos computadores de hoje, um PC quântico resolveria num piscar de olhos.

    Estruturas e unidades do computador Quântico.
    Para que um computador quântico funcione, todos os seus componentes e unidades precisam ser modificados de maneira a se tornem quânticos também. Pensando assim, o bit, da computação convencional, ganhou sua versão quântica, denominado qubit.
    A principal diferença do bit para o qubit diz respeito aos valores que eles podem armazenar. Enquanto o bit só pode ter o valor 1 ou o valor 0, o qubit pode conter os valores 1, 0 ou 1 e 0 ao mesmo tempo. Você deve estar se perguntando: “Como isto é possível?”. Bom, isto é a propriedade quântica chamada sobreposição, a qual diz ser possível uma partícula estar em dois ou mais estados ao mesmo tempo.

    Como citado anteriormente, um computador quântico pode ser concebido utilizando partículas muito pequenas, desde que elas sigam os princípios da mecânica quântica. É possível construir os PCs com fótons, que podem estar em mais de um lugar ao mesmo tempo, ou ainda prótons, nêutrons e outras partículas atômicas e subatômicas que admitem mais de um estado simultaneamente.
    A utilização destas partículas como substitutas dos cristais de silício permitem a construção de máquinas extremamente pequenas, a ponto de não conseguirmos vê-las, mas com um poder computacional incalculável. Isto porque, ao invés de tratar as informações de maneira isolada e sequencial, o qubit integra as informações de todos os dados criando novas dimensões para o processamento. Ou seja, os dados são processados em mais de uma dimensão.


    A maior dificuldade na criação de computador quântico está justamente no que torna isto possível: a sobreposição. Isto porque a sobreposição é muito sensível e qualquer microrruído eletromagnético pode alterar o estado do qubit e fazer com que a informação que ele continha seja perdida.
    Além da instabilidade da sobreposição, outro problema enfrentado pelos cientistas é o superaquecimento das máquinas. Se você acha que seu computador esquenta demais, deveria tentar mexer com átomos e elétrons.
    Se você ficou curioso em saber como o qubit trabalha, não deixe de acessar o artigo “O que é qubit, o bit quântico?”. Nele é possível encontrar muito mais informações sobre o “bit quântico”.

    Um mundo de possibilidades.

    Antes de dar continuidade ao conteúdo do artigo, é preciso explicar com maiores detalhes o conceito de sobreposição.
    Morto-vivo não, morto E vivo!
    É difícil imaginar que alguma coisa possa estar em vários estados ao mesmo tempo, mas quando se trata de partículas tão pequenas quanto os fótons, prótons e nêutrons, isto é muito mais comum do que se pode imaginar. O mais interessante é que, além de assumir vários estados ao mesmo tempo, as partículas podem, em teoria, estar em diferentes tempos também (presente, passado e futuro).
    Existe uma metáfora, chamada o gato de Schrödinger, que ajuda a compreender um pouco melhor este assunto. Ela diz que, se um gato está dentro de uma caixa, ele possui 50% de chances de estar morto e 50% de chances de estar vivo. De acordo com a mecânica quântica, até que a caixa seja aberta e o gato seja observado, ele está morto e vivo ao mesmo tempo.
    O ato de observar faz com que as partículas entrem em “colapso” e assumam um de seus estados apenas, e não ambos. Por exemplo, no momento em que a caixa citada acima é aberta e o gato observado, ele irá assumir um de seus estados apenas (vivo ou morto). Ou seja, enquanto a caixa estiver fechada, o gato está a salvo.
    Um grupo de pesquisadores da State University of New York conseguiu fazer experimentos os quais comprovassem que uma partícula está em dois estados ao mesmo tempo sem que fosse preciso observá-las. Assim, o colapso pode ser evitado e o experimento realizado sem interferências.
    Continuando...
    Um computador quântico abre muitas possibilidades para a resolução de problemas complexos. Isto, graças ao chamado paralelismo quântico. Enquanto um computador pessoal atual trabalha com processamento serial, ou seja, em sequência, os computadores quânticos permitem o processamento paralelo.
    É justamente este paralelismo que torna possível o processamento de centenas de informações e dados ao mesmo tempo, sem que seja preciso centenas de processadores, como na computação clássica.

     Referência.

     Artigo produzido por Elaine Martins em 28 de Agosto de 2009.

     http://www.tecmundo.com.br/computacao-quantica/2666-e-hora-de-descobrir-os-segredos-da-computacao-quantica.htm



  2.             Na indústria, é grande o interesse pelos nanomateriais (nanofibras). Os nanomateriais apresentam características inovadoras e surpreendentes:
    * muita elasticidade e elevada capacidade de absorção de choque;
    * muito mais resistentes que o kevlar, usado nos coletes de proteção militares;
    * cerca de 20 vezes mais rígidos que o aço.
    * maior reatividade;
    * melhor desempenho nas propriedades ópticas, magnéticas, térmicas, mecânicas, químicas e elétricas.
                Algumas aplicações das nanofibras já estão em uso ou em estágios avançados de pesquisa:
    * filtragem de ar: fibras com dimensões inferiores a um mícron podem reter pequenas partículas, como bactérias nocivas à saúde;
    * filtragem de água na indústria de tintas;
    * aplicações biomédicas como próteses, tecidos sintéticos, bandagens curativas e cosméticos;
    * indústria de semicondutores: nanotransistores e nanochips;
    * tecnologias para veículos espaciais.
                As potenciais aplicações da nanorrobótica em medicina incluem diagnósticos precoces e administração de medicamentos no tratamento contra o câncer, criado de nova instrumentação biomédica, auxílio em cirurgias, farmacocinética, monitoramento do diabetes, reconstrução de tecidos lesados etc. Em algumas décadas espera-se que a nanotecnologia médica utilize nanorrobôs injetados no paciente para tratamentos em nível celular!
                Em 2009, na Universidade do Arkansas, pesquisadores desenvolveram uma nova técnica de diagnóstico por imagens que usa nanotubos de carbono revestidos com ouro para mapear células linfáticas e detectar metástases.
                No campo da tecnologia da informação, os computadores quânticos ainda estão em escala de laboratório. A computação por DNA ainda está em desenvolvimento; suas potencialidades estão sendo pouco a pouco descobertas; em breve ela mudará radicalmente os conceitos e os processos no tratamento dos dados e das informações. Muitos cientistas da área de computação afirmam que os microchips de silício brevemente não poderão ser miniaturizados além do que já se faz; é o limiar da microeletrônica. Portanto, a computação molecular por DNA está abrindo um novo universo para a informática. Em um centímetro cúbico de DNA pode-se armazenar mais informações do que hoje se consegue em um trilhãode CDs ou DVDs.

    Referência.

    TORRES, Carlos Magnos A.; FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antonio de Toledo. Física Ciência e Tecnologia. 2a ed. São Paulo: Moderna, 2010. Vol. 3. P. 280-281.


  3. Sugestões de leitura.

    A Física de Jornada nas Estrelas, Star Trek, de Lawrence M. Krauss (Rio de Janeiro, Editora Makron, 1aed., 1997).

    Alice no país do quantum, de Robert Gilmore (Rio de Janeiro, Jorge Zahar Editores, 1a ed., 1998).

    O incrível mundo da Física Moderna, de George Gamow (São Paulo, Editora Ibrasa, 1a ed., 1986).


  4.             Neste início do século XXI, vivemos uma época de grandes mudanças econômicas, sociais, científicas e tecnológicas. Existem avanços e retrocessos em todas essas atividades humanas. No âmbito do microcosmo, isto é, no mundo das moléculas, dos átomos e das partículas subatômicas podemos dizer que estamos avançando muito, especialmente numa área até pouco tempo desconhecida e inexplorada, ananotecnologia.
                Do modo geral, podemos dizer que a nanotecnologia estuda e desenvolve tecnologias, dispositivos e estruturas com dimensões da ordem de 100 nanômetros ou menos, visando à manipulação da matéria em escala atômica e molecular, quase que átomo por átomo. Isto poderia até ser considerado como uma fantasia, já que um nanômetro equivale ao comprimento de dez átomos de hidrogênio colocados lado a lado.
                Os campos de atuação da nanotecnologia são amplos e complexos, abrangendo a construção de nanomecanismo, a síntese de novos materiais industriais, a criação de novas técnicas e tecnologias que abriram novas frentes de pesquisa como a nanomedicina, a nanomecânica, a nanoeletrônica e a nano-óptica.
                A primeira menção aos conceitos de nanotecnologia, sem fazer uso desse termo, foi por James Clerk Maxwell em 1867 quando ele propôs, como uma experiência mental, a existência de uma entidade infinitesimal, denominada Demônio de Maxwell, capaz de manipular moléculas individualmente. Profecia ou não, atualmente já estamos tentando “materializar” os nanodemônios de Maxwell: são os nanorrobôs, carinhosamente chamados de nanobots. Este ramo da nanoengenharia, a nanorrobótica, ainda está em seu início e é encarado como algo para um futuro muito próximo, dados os enormes esforços e investimentos dirigidos a esse ramo de pesquisa. Os nanobots podem ser definidos como dispositivos capazes de atuarem com precisão e eficiência em escala manométrica.
                As primeiras observações e medições de nanopartículas foram feitas na primeira década do século XX por Richard Adolf Zsigmondy, pesquisando coloides com partículas dispersas de dimensões de 10 nm ou menos, utilizando um ultramicroscópio capaz de amplificar imagens de objetos com dimensões menores que o comprimento de onda da luz. Zsigmondy foi o primeiro a empregar o termo nanometro para caracterizar o tamanho das partículas.
                Apesar de o seu maior desenvolvimento tecnológico ser relativamente recente (década de 1980), costuma-se datar a origem da nanotecnologia ebtre 1959 e 1960, por ocasião de uma palestra proferida por Richard Feynman, There’s Plenty of Room at Bottom, no encontro da American Physical Society, no Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia), em 29 de dezembro de 1959. No seu visionário discurso, Feynman descreveu um processo para desenvolver a habilidade de manipular átomos e moléculas individualmente, usando um conjunto apropriado de “ferramentas” precisas e capazes de construir e operar sistemas ainda menores, processo hoje denominado downscaling process. Em outros termos, Feynman estava afirmando que, um dia, poderemos “fabricar” e “dar vida” a um demônio de Maxwell. A afirmação a seguir (trecho da sua palestra) dá uma ideia do alcance das suas “previsões”:
                “Os princípios da Física, até onde posso ver, nada dizem quanto à impossibilidade de se manipular a matéria átomo por átomo. Em princípio é algo que pode ser feito sem violar qualquer lei da natureza; mas, na prática, ainda não foi feito porque nós somos muitos grandes.”
                Nesse encontro, Feynman anunciou dois desafios e ofereceu um prêmio em dinheiro aos primeiros que os resolvessem. O primeiro desafio foi a construção de um nanomotor que, para a surpresa de Feynman, foi vencido logo em novembro de 1960, por William Mclellan. O segundo desafio era a possibilidade de se inscrever uma página de um livro em uma área 25000 vezes menor que o seu tamanho original. Uma escala de miniaturização que permitiria escrever toda a Enciclopédia Britânica sobre a cabeça de um alfinete! Este prêmio foi reclamado em 1985 por Tom Newman. Ele escreveu a primeira página do livro Um conto de duas cidades, de Charles Dickens, sobre a cabeça de um alfinete, usando um feixe de elétrons. Terminado o trabalho, o maior problema de Tom foi conseguir localizar o texto escrito, uma vez que a cabeça do alfinete era uma gigantesca área vazia.
                Em 2007, cientistas escreveram uma versão completa da Bíblia Hebraica em uma lâmina de silício de 0,5 mm de lado, uma superfície quase cinco vezes menor que a cabeça de um alfinete, coberta por uma película de ouro com espessura de 20 nanômetros. Só se consegue ler a “nanobíblia” com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura (scannig eléctron microspe).

    Referência.

    TORRES, Carlos Magnos A.; FERRARO, Nicolau Gilberto; SOARES, Paulo Antonio de Toledo. Física Ciência e Tecnologia. 2a ed. São Paulo: Moderna, 2010. Vol. 3. P. 279-280.


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