Entre teoria e aplicação, a promessa dos computadores quânticos

O físico Mario Leandro Aolita

Clarice Cudischevitch

Os computadores quânticos são uma das maiores promessas da chamada Era da Informação. Grupos de pesquisa em todo o mundo se debruçam sobre a construção dessa tecnologia – em 2019, o Google anunciou ter fabricado um computador quântico que executaria em poucos minutos o que o supercomputador mais rápido atualmente levaria 10 mil anos para processar. Mario Leandro Aolita, do Instituto de Física da UFRJ, procura avançar nesse caminho fazendo uma conexão entre pesquisa fundamental e aplicada.

Grantee do Serrapilheira, Aolita acaba de ter o apoio renovado e receberá do instituto R$ 700 mil, mais um bônus opcional de R$ 300 mil destinados à integração e formação de pessoas de grupos sub-representados na ciência. Apesar da imponência associada à promessa dos computadores quânticos, é no mundo microscópico – aquele dos átomos e fótons – que o físico teórico atua ao estudar sistemas quânticos. São diferentes dos sistemas governados pelas leis da física clássica newtoniana (pré-quântica), que regem o mundo macroscópico que percebemos em nosso dia a dia.

A pesquisa de Aolita está inserida em uma área da física que nasceu no final da década de 1980, a informação quântica. Ela surgiu a partir da interação entre a mecânica quântica (a teoria mãe da física moderna) e a teoria da informação (originária da matemática e da ciência da computação). Emprega as propriedades contraintuitivas da mecânica quântica, como a superposição quântica e o emaranhamento quântico, para armazenar, processar e transmitir informação de formas mais eficientes do que os sistemas clássicos.

Seu projeto se divide em algumas partes. Em um lado mais aplicado, o físico busca desenvolver os computadores quânticos, que prometem ser capazes de resolver problemas que nenhum computador convencional (nem mesmo os supercomputadores de hoje em dia) consegue. Para isso, Aolita elabora algoritmos quânticos aptos a resolver problemas com aplicações em inteligência artificial ou aprendizado de máquinas de formas mais eficiente.

Seu grupo também usa o aprendizado de máquinas clássico para tentar caracterizar os protótipos de aparelhos quânticos em construção. “A verificação e caracterização de computadores quânticos experimentais é uma tarefa altamente não trivial, porque os aparelhos que queremos construir têm o intuito explícito de ter um poder de processamento enormemente superior ao dos computadores convencionais de hoje.”

Ou seja: o desafio consiste em validar a performance de um sistema computacional extremamente potente tendo como ferramentas aparelhos com uma capacidade muito inferior.

Outra área em que Aolita atua é a criptografia quântica. Ele desenvolve esquemas de comunicação, encriptação e geração de aleatoriedade que estejam protegidos diretamente pelas leis da física quântica, o que traz mais segurança do que a criptografia clássica. Isso porque, nesta última, a segurança é baseada na dificuldade em se hackear um código (ou seja, na dificuldade computacional de resolver algum problema matemático codificado).

“A criptografia quântica é segura mesmo se o hacker em questão tiver todo o poder computacional do mundo, por que a segurança ali é baseada nas leis da física.” Rafael Chaves, outro físico do Serrapilheira que teve o grant renovado, também atua nesta área. Saiba mais.

Já em uma abordagem mais fundamental, Aolita estuda o nexo entre emaranhamento e superposições quânticas e a causalidade, em conexão com a teoria da relatividade de Einstein e outras possíveis teorias (ainda a serem desenvolvidas) de gravidade quântica.

Essa atuação tão abrangente na física teórica se deve a uma formação multidisciplinar e heterogênea. Nascido na pequena cidade argentina de Zárate, a 85 km da capital, Aolita se graduou e fez mestrado em física na Universidade de Buenos Aires. O doutorado foi na UFRJ sob a orientação de Luiz Davidovich, um dos maiores nomes da física quântica na América Latina. Seguiu com pós-doutorados no Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) de Barcelona, Espanha, e na Universidade Livre de Berlin (FUB), Alemanha.

“Eu me sinto muito privilegiado pela formação que recebi”, afirma Aolita, que se diz um amante da natureza e é praticante de ioga e meditação há mais de dez anos. “Pude cobrir aspectos aplicados e fundamentais, teóricos e experimentais, e de muitos temas diversos. Isso me permitiu, e ainda me permite, ter uma visão ampla do campo e de para onde ele está indo.”

Desde o início da graduação Aolita se interessou pela mecânica quântica, mas o gosto pela ciência vem desde a infância, quando lia revistas de divulgação científica. No Ensino Médio, um professor de física o inspirou ao explicar os primeiros modelos atômicos pré-quânticos (como os de Rutherford e Bohr). “Percebi que queria aprender mais sobre aquilo. Acho que a grande diferença foi que, independentemente do tema que explicava, esse professor nos ensinava a raciocinar logicamente, em vez de decorar fórmulas. Isso teve um impacto enorme em mim, pois me ensinou a resolver problemas desconhecidos usando minha própria lógica.”

Saiba mais sobre a área de Aolita. No vídeo abaixo, ele conta quais são os maiores desafios da física teórica e da informação quântica: