Alan Turing – O Homem que Computava…

A computação quântica é uma nova fronteira a ser explorada do ponto de vista científico, industrial e comercial. A questão é estratégica – a ponto de não poder ser negligenciada em nenhum aspecto, ainda mais quando as limitações impostas pela chamada Lei de Moore se fazem presentes (Walter Carnielli)

Alan Turing

ALAN TURING (1912-1954) © NPL ARCHIVE, SCIENCE MUSEUM

A palavra computador era usada somente em um sentido até as primeiras décadas do século XX. O significado indicava apenas uma pessoa que fazia cálculos — um profissional, envolvido no uso dos algoritmos.

Computar exigia muitas horas de trabalho…com grande concentração  —  e o auxílio, somente, de instrumentos como ábaco, ou máquina de somar.

Em 1936, o inglês Alan Mathison Turing, nascido há 100 anos, escreveu um trabalho acadêmico de lógica propondo uma estrutura matemática abstrata – que chamou de “máquina universal”… – capaz de fazer qualquer tipo de cálculo.

Seu artigo … ‘On computable numbers, with an application to the Entscheidungsproblempublicado no início de 1937…é considerado como fundador da ‘ciência da computação’.

Quando escreveu ‘On computable numbers’, ele não estava pensando em uma máquina que poderia vir a ser construída – o objetivo era apenas resolver um problema de lógica. Segundo o matemático Ubiratan D’Ambrosio…professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)…

“Sua máquina universal – conhecida como ‘máquina de Turing’ – na verdade era uma metáfora das ideias fundamentais que viriam a ser usadas para se construir o computador”.

No mesmo artigo Turing apresentou uma solução para a questão matemática do ‘problema da decisão’ (Entscheidungsproblem) … alegando que, determinados problemas não podem ser resolvidos por máquinas ou computadores teóricos.

Mas, ele não foi o único a pensar nisso… Também em 1936, o lógico Alonzo Church, já Ph.D., escreveu e publicou, de modo independente, um artigo com a mesma conclusão. Assim, Turing…então com 25 anos, foi fazer seu doutorado sob a orientação de Church,     na Universidade de Princeton, EUA.

Em 1939 ele voltou à Inglaterra, e passou a trabalhar para o governo. Tudo começou porque os militares ingleses — sabendo de seu gosto por criar e decifrar códigos — o convocaram para trabalhar com um grupo de cientistas… em um ‘projeto secreto‘. O objetivo era decifrar ordens alemãs, codificadas pela máquina chamada ‘Enigma’…e enviadas aos submarinos nazistas que patrulhavam o Atlântico.

A questão era capital para os ingleses. Os submarinos alemães impediam a circulação dos navios britânicos, quase isolando a Inglaterra… — Turing conseguiu quebrar o código…ao aperfeiçoar uma enorme máquina decodificadora chamada ‘Bomba’, cuja primeira versão havia sido construída por cientistas poloneses. Com isso a esquadra inglesa deixou de ser surpreendida pelos ataques do Terceiro Reich.

Máquina ACE - Turing

Protótipo da máquina ACE, de 1952, projeto de Turing © NATIONAL PHYSICAL LABORATORY © CROWN COPYRIGHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Segundo Newton da Costa  –  matemático da Universidade de São Paulo, e professor de filosofia da U.F. de Santa Catarina…

Turing… – além de um teórico brilhante, tinha um lado prático forte. Entre outros projetos, p. exemplo…ele criou a máquina ACE (Automatic Computing Engine), uma espécie de ancestral do computador, para ‘atacar’ problemas complexos”.

Em 1950 o matemático publicou seu artigo ‘Computing machinery and intelligence’… e, escreveu ele na primeira linha do texto…‘Proponho que consideremos a questão… – as máquinas podem pensar?’. Turing introduz uma discussão sobre se é justificável chamar um computador de cérebro eletrônico… — lançando assim, as bases do que viria a ser o seminal campo da inteligência artificial.

Lógica paraconsistente na criação de ‘algoritmos quânticos’                                 Os sistemas de criptografia atuais se baseiam em um código formado por um nº enorme, que, para ser quebrado, deve ser decomposto em números primos… Quanto maior forem esses fatores primos, mais difícil será a descoberta do código. No entanto, com o advento do modelo de processamento quântico, essa criptografia tradicional poderá ser ‘atacada’ com muita facilidade.

A pesquisa desenvolvida pelo Professor Walter Carnielli, do Departamento de Filosofia da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), e por seu orientando de doutorado, Juan Carlos Agudelo, dá pistas para o avanço da informática quântica – ao utilizar a lógica paraconsistente como fundamento, para a elaboração de algoritmos dentro desse modelo.

computquant

A computação quântica é fundamentada em conceitos criados pela física quântica – como o da superposição (quando uma partícula está em condições contraditórias simultaneamente) e do entrelaçamento (quando a alteração em uma partícula provoca mesmo efeito…em outra que se encontra distante).

Para Carnielli … assim como a física clássica não apresenta resposta para várias situações de contradição em sistemas físicos – tampouco a lógica booleana na qual os computadores atuais se baseiam, pode responder configurações em que as cláusulas sejam contraditórias.

Controle racional da contradição 

A solução encontrada pelos pesquisadores foi usar a chamada lógica paraconsistente, capaz de obter resultados racionais — mesmo nos casos em que 2 ou mais condições não possam ocorrer (na lógica clássica) ao mesmo tempo… Por exemplo – um comando que indique virar à esquerda e à direitasimultaneamente; conforme comentou Carnielli…

Ou, mais dramaticamente, a transmissão de informações contraditórias de velocidade ao computador de bordo, como no caso da queda do vôo 447 da ‘Air France’.  A falta de controle racional da contradição tem como consequência, nesses casos, o desligamento do piloto automático — obrigando o comandante a pilotar sem nenhum instrumento, o que é extremamente difícil“.

Em sua tese de doutorado, intitulada “ Computação Paraconsistente: Uma Abordagem Lógica à Computação Quântica”, Agudelo criou um modelo teórico que pode inspirar a criação de softwares para os computadores quânticos – como ele próprio explicou…”Ao elaborar circuitos paraconsistentes, simulamos uma proposta de circuitos quânticos“.

simulacao-matrix

[Imagem: CQT/National University of Singapore]

Máquina de Turing quântica 

Agudelo idealizou um computador usando alógica paraconsistente’. Utilizando o esquema idealizado pelo matemático Alan Turing…o cientista da computação esboçou uma máquina na qual corre uma fita dividida em células.

A cabeça de leitura lê apenas uma célula por vez – a qual contém um sinal gráfico – e um comando que corresponde a correr para a direita, ou para a esquerda.

Na versão quântica, essa concepção moderna da máquina de Turing admite não 1, mas um conjunto de posições, que seriam inconcebíveis para a lógica clássica… como, por exemplo, um comando que faça a fita correr para esquerda, e para a direita, simultaneamente, como disse Agudelo…”Na lógica paraconsistente esses estados são superpostos…como se fossem empilhados“.

Criptografia quântica 

Segundo Carnielli, a originalidade do trabalho está na associação da lógica paraconsistente à computação quântica. Mesmo com modelos iniciais básicos, eles poderão abrir caminhos para a produção de programas para computadores quânticos.

A mera expectativa da computação quântica já tem aquecido o mercado de software, ressalta o professor da Unicamp. — Universidades já começam a esboçar programas quânticos, e empresas anunciam sistemas de criptografia nesse novo paradigma… e, Carnielli complementa:

O esquema criptográfico conhecido como RSA, bastante utilizado no comércio digital, em bancos e compras com cartões de crédito pela internet — baseia-se no fato de que é computacionalmente muito difícil conseguir fatorar um número grande no produto de 2 números primos. – O tempo estimado, por exemplo, para se conseguir fatorar um nº de 20e48 bits (chave de uma criptografia RSA)…ultrapassaria a idade da Terra… Um algoritmo quântico, no entanto, realizaria essa tarefa em menos de 6 horas. Dessa forma, com os computadores quânticos as chaves RSA perderiam completamente sua eficácia. Esse problema motivou a criação da criptografia quântica a fim de criar   um sistema de codificação praticamente inexpugnável“.

Quem irá programar os computadores quânticos?                                                     Os promissores computadores quânticos estão se mostrando mais difíceis de serem conquistados do que se imaginava a princípio. Por outro lado, uma vez construídos, parece que sua utilização será muito mais revolucionária do que se previa. 

caos-no-computador

– É comum nos referirmos aos computadores quânticos como uma nova geração…por assim dizer, de “super supercomputadores”, capazes de fazer tudo o que os computadores clássicos atuais fazem, só que mais rapidamente… Mas, não é só isso… coisas muito estranhas, porém, extremamente úteis…sob todos os aspectos – ocorrem no mundo quântico.

Em um computador clássico, o programador se preocupa em saber se cada bit tem valor 0 ou 1. Em um computador quântico, um bit quântico, ou qubit… – pode representar 0 e 1 ao mesmo tempo – dois qubits podem representar 4 valores simultaneamente, três qubits 8, e assim por diante.

Apesar de, em 2009 ter sido construído o 1º processador quântico programável – rodar algumas rotinas lógicas é uma coisa; fazer programas para eles, construindo algoritmos quânticos completos – é outra muito diferente.

Não é que a tarefa seja apenas difícil: ela parece desafiar a maneira comum de pensar…Por exemplo, usando o fenômeno da superposição, cientistas demonstraram que um programa quântico pode encontrar uma informação em uma base de dados sem nem mesmo precisar rodar o programa.

Simulações quânticas

Os computadores quânticos estão, cada vez mais, se tornando uma necessidade, a medida que a ciência cresce… e usa cada vez mais intensamente os fenômenos em escala quântica. A simulação de fenômenos quânticos, por meio da solução das equações de muitos corpos de Schrodinger tem aplicações no desenvolvimento de novos medicamentos, por exemplo.

Usando os computadores atuais, porém, essas equações só podem ser resolvidas para poucos corpos. E os resultados são apenas aproximações… Mas, os cientistas querem chegar mais perto nessas aproximações… e avançar para problemas mais complexos;     por exemplo… descobrindo uma forma de criar mecanismos de fotossíntese artificial,     que poderão resolver o problema energético do mundo.

Contudo – há um problema fundamental, quando se tenta simular a mecânica quântica em um computador clássico: o chamado “problema do sinal”. Nos cálculos da mecânica quântica…deve-se levar em conta não apenas as probabilidades – mas a amplitude das probabilidades – e essas amplitudes podem se tornar negativas.

Metropolis quântico

algoritmo-metropole

Nesse circuito quântico, o 1º passo (E) prepara um auto-estado do Hamiltoniano. O 2º passo (U) indica se queremos aceitar ou rejeitar a atualização proposta. No caso de rejeição, o circuito completo inclui uma sequência de medições das projeções Hermitianas U(i) e P(i). A recursividade será abortada sempre que o resultado P1 é obtido, o qual indica o retorno a um estado com a mesma energia de entrada… Como cada iteração tem uma probabilidade de sucesso constante, a probabilidade total de se obter o resultado (P) se aproxima exponencialmente de 1, à medida que o número de aplicações aumenta.

Um grupo de físicos teóricos da Áustria, Canadá e Alemanha, demonstrou que, de fato, as alterações de um sistema quântico podem ser reproduzidas em um computador quântico universal… Para isso, eles criaram uma versão quântica do algoritmo clássico Metrópolis.

Esse algoritmo foi desenvolvido por Nicholas Metropolis – em 1953…e permaneceu como uma curiosidade  –  até o advento dos computadores.  –  Sua versão clássica utiliza mapas estocásticos que, ao longo de inúmeras iterações, convergem para um estado de equilíbrio.

Incluído no chamado Método Monte Carlo, este é um dos algoritmos mais utilizados hoje na Física para obter os valores esperados de um sistema que se está simulando. Na versão quântica, a equipe apenas usou mapas positivos… em vez de amplitudes de probabilidade.

Isso traz problemas  —  como erros nos cálculos quando se introduzem transições de fase quânticas. Mas, ainda assim, a implementação do algoritmo quântico pode ter aplicações importantes nos campos da química…da física da matéria condensada…da física de altas energias… — e também para resolver as equações de Schrodinger para sistemas mais complexos, nos quais interagem muitas partículas… como afirmam os pesquisadores:

“Ainda que uma implementação desse algoritmo para problemas quânticos de muitos corpos em larga escala esteja fora do alcance …  —  com os meios tecnológicos de hoje, o algoritmo é escalável para tamanhos de sistema que são interessantes para simulações físicas reais”.

computação quantica

O que se deve destacar…contudo, é que o grupo demonstrou que o esforço para a construção do hardware dos computadores quânticos, sempre será bem pago  –  um computador quântico  – usando esse algoritmo… poderá ser usado para resolver problemas … exponencialmente mais rápido do que os computadores atuais.

No futuro…quem sabe o artigo que descreve a criação do Metropolis Quântico seja lembrado como um marco na história da programação quântica.

Inteligência Artificial

A computação quântica promete resolver problemas de forma exponencialmente mais rápida do que os computadores clássicos. Como ainda não se sabe exatamente como, e quem vai programar os computadores quânticos… o funcionamento dos 1ºs protótipos   tem sido demonstrado com a fatoração de números.

Em 2009, Seth Lloyd — o mesmo que garante que as máquinas do tempo do futuro podem ser detectadas hoje, criou um algoritmo quântico p/resolver sistemas de equações lineares, assim como determinar 2 variáveis desconhecidas — aparecidas em 2 equações diferentes.

Esse é tipicamente um problema de álgebra usado pelos professores em sala de aula, mas aumente o problema para 1 milhão de variáveis, e estaremos frente a frente com a mesma matemática usada na previsão do tempo e processamento de imagens…A equipe de Lloyd demonstrou que…enquanto o número de passos no algoritmo clássico cresce com o nº de equações – na versão quântica ele cresce com o logaritmo desse número… Isso equivale a resolver 1 trilhão de equações com algumas centenas de passos… mostrando o verdadeiro potencial dos computadores quânticos.

Criado 1º algoritmo quântico de inteligência artificial

—  Embora os  1ºs processadores quânticos já estejam no mercado, ninguém sabe ainda … quem vai programar esses computadores quânticos.

Ocorre que, só agora estão sendo desenvolvidos…os 1ºs algoritmos quânticos, a sequência de passos lógicos que um processador usa para resolver um problema. Os resultados — felizmente… são animadores.

É o que garante uma equipe liderada por Seth Lloyd … o mesmo que elaborou a Teoria do Construtor, que afirma que o Universo é um ‘transformer‘ – e que ajudou a revelar a rede capitalista que domina o mundo. A conclusão do grupo é que, os computadores quânticos deverão dar um novo impulso ao campo da inteligência artificial, porque seus sistemas de aprendizado permitirão enfrentar os grandes conjuntos de dados, de maneira muito mais eficiente do que os computadores clássicos.

Inteligência quântica artificial 

Deixando de lado problemas como a quebra de senhas de segurança, que parecem ter um apelo especial junto aos cientistas da computação…Lloyd e seus colegas voltaram-se para problemas que exigem um pouco menos de força bruta, e mais de inteligência.

O resultado é a 1ª versão quântica do aprendizado de máquina — um tipo de inteligência artificial na qual os programas podem aprender com a experiência, tornando-se cada vez mais capazes de encontrar padrões em grandes volumes de dados.

Os dados… assim… podem ser agrupados  –  uma ‘tarefa central‘, em aplicações como o reconhecimento de voz e de imagens – ou serem varridos em sequência… algo que pode ser feito com um número muito pequeno de qubits… como garante o Dr. Lloyd:

Nós podemos mapear o Universo inteiro – toda a informação criada desde o Big Bang, em 300 qubits. No lado mais prático…com um número menor de qubits já dá para lidar de maneira otimizada com tarefas como o reconhecimento de imagens, necessário para viabilizar carros autônomos“.

Agora é só esperar que esteja disponível um processador quântico com pelo menos 12 qubits… – o mínimo que os pesquisadores afirmam ser necessário para começar a testar na prática a inteligência artificial quântica.

Computação evolutiva

‘Árvores de Decisão são programas que dão aos computadores a capacidade de fazer previsões a partir da análise de dados históricos. A técnica pode, por exemplo, auxiliar o diagnóstico médico, ou a análise de risco de aplicações financeiras.

Para ter a melhor previsão… é necessário o melhor programa gerador de Árvores de Decisão. Para alcançar esse objetivo … pesquisadores do Instituto de Ciências Matemáticas  —  e da Computação…USP/São Carlos, usaram a teoria evolucionista de Charles Darwin — como explica o doutorando do Laboratório de Computação do ICMC…Rodrigo Coelho Barros:

A ‘computação evolutiva’ é uma das várias técnicas bioinspiradas, isto é, que buscam na natureza soluções para problemas computacionais… – Nesse sentido, desenvolvemos um ‘algoritmo evolutivo’  —  que imita o processo de evolução humana para gerar soluções… — É notável como a natureza acha soluções para problemas extremamente complicados. Não há dúvidas de que precisamos aprender com ela“.

De acordo com Rodrigo, o software desenvolvido em seu doutorado é capaz de criar…automaticamente…programas geradores de ‘Árvores de Decisão’. Para isso… – ele faz cruzamentos aleatórios entre códigos de programas já existentes, gerando ‘filhos’… que podem, eventualmente, sofrer mutações, e evoluir… E, assim concluiu:

é esperado que os programas de geração de Árvores de Decisão evoluídos, com o passar do tempo… sejam cada vez melhores  —  e 0 nosso algoritmo seleciona o melhor de todos. Mas…enquanto o processo de seleção natural na espécie humana leva centenas — ou até milhares de anos… na ‘computação evolutiva’ só dura algumas horas  –  dependendo do problema a ser resolvido“.

Heurística 

Em Ciência da Computação  —  se denomina ‘heurística’ à capacidade de um sistema fazer inovações, e desenvolver técnicas para alcançar determinado fim. O software desenvolvido por Rodrigo se insere na área de ‘hiper-heurísticas’, tópico recente na área de computação evolutiva, que tem como objetivo a geração automática de heurísticas personalizadas para uma determinada aplicação ou conjunto de aplicações. É um passo preliminar em direção ao grande objetivo da ‘inteligência artificial’… o de criar máquinas capazes de desenvolver soluções para problemas, sem que sejam explicitamente programadas para tal.

Diferentemente da ‘programação convencional’ — em que um programa executa sempre a mesma função com dados diferentes, a adaptabilidade propõe um comportamento diverso, diante de cada nova circunstância… Como explica o professor João José Neto, da Escola Politécnica da USP…

Um ‘programa adaptativo‘ possui uma crítica sobre aquilo que ele fez… e o resultado que obteve. Quando isso acontece, ele modifica o seu próprio comportamento, e começa a operar com aquele aprendizado que conseguiu a partir da experiência anterior“. **********************************************************************************  ‘o-homem-que-computava’ (Jul/2012) ‘em-busca-da-computacao-quantica'(1) ‘em-busca-da-computacao-quantica'(2) (jan/2010) # quem-vai-programar-computadores-quanticos (mar/2011) ‘robos-1ºs-sinais-consciencia’ (abr/2011) # fisica-quantica-matrix (mar/2012) computador-super-turing(abr/2012) # computacao-evolutiva-arvores-decisao (ago/2012) Modularidade biológica (fev/2013) computadores-quanticos-fazem-sua-licao-matematica (02/2013) algoritmo-inteligencia-artificial-quantica (2013)#processador auto-organizado  *****************************(texto complementar)**********************************

Inteligência artificial vai nos levar a uma Singularidade Tecnológica?             Será que os programas de computador realmente se tornarão tão inteligentes quanto o homem…e estamos realmente caminhando para a chamada singularidade tecnológica?

singularidade-tecnologica

Uma recente conferência…realizada em Berlim/Alemanha — reuniu os maiores especialistas do mundo em inteligência artificial…para debater a questão que… cientistas, futurólogos… e especialistas,          em geral…se fazem há décadas… — até         onde pode ir a ‘inteligência artificial’?

A ‘singularidade tecnológica‘ é definida como uma data no futuro quando a inteligência das máquinas supera a nossa própria inteligência… – e passa a melhorar-se a um ritmo exponencial… – não dependendo mais do ser humano.

Danko Nikolic, neurocientista do Instituto Max Planck de Pesquisas do Cérebro não se amedrontou de estar diante de uma plateia formada pelos principais pesquisadores da ‘inteligência artificial’… e — durante esta mesma reunião — fez uma afirmação ousada:

“Nunca faremos uma máquina mais inteligente do que nós. – Não se pode exceder a inteligência humana… jamais!… – Podemos… assintoticamente, nos aproximarmos dela… – mas nunca excedê-la”. 

Nikolic está convencido de que, muitos pesquisadores de inteligência artificial que acreditam o contrário estão negligenciando um aspecto importante da inteligência humana — o cérebro não é o único hardware que os seres humanos precisam para         serem bons em aprender as coisas. – Para ele…as ferramentas mais básicas para o aprendizado são as instruções contidas em nossos genes, aprimoradas ao longo de       bilhões de anos de evolução.

Técnicas de aprendizado de máquina podem imitar o cérebro, mas não contam com os elementos mais profundos que nos ajudam a aprender… conforme argumenta Nikolic:

“A única maneira de chegarmos perto de uma mente artificial que          aprenda tão bem quanto nós… – é repetindo a evolução humana”.

Mas talvez a singularidade chegue em outras configurações… Para vários dos especialistas que participaram do debate, a singularidade tecnológica pode ser melhor imaginada como uma aceleração do progresso humano… – alimentada por imediatos avanços tecnológicos. Para eles trata-se de colocar as mentes humana e artificial juntas para resolver problemas do mundo real. O que aliás parece já estar acontecendo, conforme há pouco demonstrado.

Outro ponto levantado pelos especialistas é que – sendo a singularidade atingida por inteligências artificiais formadas a partir de grandes quantidades de dados humanos, então devemos esperar que sejam tão diversas quanto nós somos — se pretendermos  trabalhar ao lado dessas inteligências sintéticas.

Mas, no frigir dos ovos, é difícil prever… não apenas qual seria o grande avanço que faria a inteligência artificial dar um salto tecnológico que a levaria à singularidade, como também o que poderia acontecer depois disso… pois, tornando-se as máquinas mais inteligentes do que nós, nossas mentes tornam-se incapazes – ou inadequadas – para imaginar o que elas seriam capazes de fazer…como assim alertou o artista, e cientista da computação Mehmet Akten:

“A razão pela qual se chama de ‘singularidade‘, é que é um ponto além do qual se consegue enxergar. Uma vez que máquinas atinjam níveis humanos de inteligência…não se pode mais imaginar o que acontecerá”…(texto base)  *********************(complemento analógico)**************************

uma máquina analógica deve:                                       

1º – Reunir todas as observações possíveis a respeito de um caso;                   2º – Estabelecer a lista das relações constantes entre seus multi-aspectos;   3º – Tornar-se o próprio caso, assimilando sua essência, descobrindo seu destino.

No nosso cérebro – ao contrário dos computadores atuais … que somente operam sequencialmente, impulsos elétricos formam vastas redes dinâmicas, que evoluem constantemente, operando coletivamente. Por isso é tão difícil de se transportar a     forma de resolver os problemas… — do cérebro humano … para os computadores.

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979... (s/ diploma)
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Uma resposta para Alan Turing – O Homem que Computava…

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