Da “máquina universal de calcular” aos “algoritmos quânticos”

“A máquina universal…conhecida como ‘máquina de Turing’…era uma metáfora das    ideias fundamentais, que depois viriam a ser usadas para se construir o computador”.

A palavra ‘computador’ era usada somente num sentido… até as primeiras décadas do século 20. – O significado indicava apenas pessoa que fazia cálculos…um profissional envolvido no emprego dos “algoritmos“. Computar exigia muitas horas de trabalho concentrado e a ajuda de instrumentos do tipo ‘máquina de somar’…ou ábaco. – Até que, em 1936…o matemático Alan Turing   publicou seu trabalho sobre…”lógica” – propondo uma “estrutura matemática abstrata”, chamada… “máquina universal”… capaz de qualquer tipo de cálculo. — Seu artigo ‘On computable numbers’ é tido como pioneiro na ciência da computação, mas ao escrevê-lo,  não pensava em construir máquinas; seu único objetivo era resolver um problema lógico.

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 ‘computadores teóricos’. – Mas, ele não              foi o único a pensar nisso…Também em 1936, o lógico Alonzo Church escreveu e          publicou um artigo com a mesma conclusão. – E desse modo, Turing, então com                25 anos… foi para Princeton/EUA… – fazer seu ‘doutorado’ sob a sua orientação.

Em 1939 ele voltou à Inglaterra, e passou a trabalhar para o governo. Isto 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’… enviadas aos submarinos nazistas que patrulhavam o Atlântico. – A questão era capital, já que 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 1ª versão fora construída por poloneses.

Máquina ACE - Turing

Protótipo da máquina ACE, de 1952, projeto de Turing © National Physical Laboratory, Science Photo Library

Segundo Newton da Costa, matemático da USP… – e professor de filosofia da ‘UFSC’:  Turing… – além de um teórico brilhante, tinha um lado prático forte. Entre outros projetos… – criou a máquina “Automatic Computing Engine” (ACE)… uma espécie de ancestral do computador”… Em 1950, publicou o artigo, “Computing machinery and intelligence”, onde no texto escreveu:  “Proponho considerarmos a questão… se máquinas podem pensar”; questionando,  o computador como “cérebro eletrônico“;  e, criticando uma “inteligência artificial“.

A Máquina Diferencial (voltando na história)                                                                            Amáquina diferencialfoi um invento capaz de resolver equações polinômicas; recebendo, processando, armazenando e exibindo os dados numéricos exigidos                para se efetuar os cálculos necessários…em substituição às tabelas logarítmicas. 

Em 1819, a Inglaterra estava no auge da “Revolução Industrial”…Trabalhos geralmente realizados por humanos ou animais estavam perdendo em eficiência para as máquinas, quando um jovem matemático britânico… – Charles Babbagevislumbrou o potencial      da mecanização, e percebeu que com o auxílio de “máquinas calculadoras” poderia substituir, não apenas o trabalho braçal, mas também uma estafante atividade mental.

máquina diferencialEm 1822 ele propôs a construção de sua máquina de calcular – e, obteve financiamento do governo em 1824.  Durante a década seguinte Babbage mergulhou no universo industrial à procura da melhor tecnologia, para construir seu engenho…até que em 1832, produziu o modelo funcional de sua… “Máquina Diferencial“, além de publicarOn the Economy  of Machinery… and Manufactures‘.

A Máquina Analítica‘… (e o nascimento da “computação digital“)                                    “A visão de Babbage era, em essência, a da ‘computação digital’. Assim como nos equipamentos atuais, suas máquinas manipulam números (ou dígitos) conforme              um conjunto de instruções – produzindo assim…um resultado numérico preciso”.

No ano seguinte…Babbage já estava ocupado com um projeto ainda mais ousado…sua “Máquina Analítica“. Enquanto a Máquina Diferencial limitava-se à tarefa de produzir tabelas, a…”Máquina Analítica“…seria capaz de realizar qualquer cálculo matemático.  Como um computador moderno…teria um processador para os cálculos aritméticos (“moinho”) – memória para registrar os números (“armazém”) – e…a capacidade de alterar sua função…através de “comandos” do usuário – no caso…’cartões perfurados’.        Em resumo… – era um computador projetado com tecnologia vitoriana“.

Mas, o governo recusou-se a fornecer verbas adicionais, e Babbage, inconformado, decidiu abandonar a inacabada Máquina Diferencial, redigindo então (como consolação) milhares de páginas de anotações detalhadas e desenhos dela na esperança de que o governo algum dia financiasse sua construção. Todavia, apenas nos anos 70, em plena ‘era da informação’, que pesquisadores se interessaram por esses artigos. A “Máquina Analítica” era, como um deles observou… — quase como olhar para o projeto de um computador…de outro planeta.

computador4

A computação digital entrou na era da eletrônica com o Eniac, inventado por J. Presper Eckert e John Mauchly, da Moore School of Electrical Engineering na Universidade da Pennsilvânia/EUA. O Eniac usava válvulas eletrônicas para armazenar números, e consumia 150 quilowatts de potência, o equivalente a mais de mil PCs modernos.

“Eniac”/”Edvac”

A construção do “Eniac“… sigla para “Electronic Numerical Integrator and Computer”, começou em 9 de abril de 1943. Muitos engenheiros duvidaram do seu sucesso…Sabia-se da ‘vida útil’ de uma válvula eletrônica: cerca de 3 mil horas, e o projeto inicial do Eniac utilizava 5 mil delas… Dessa forma, a máquina não funcionaria… mais de 5 minutos sem queimar… pelo menos 1 válvula…desativando-a. Mas, Presper Eckert…um de seus criadores, estava ciente de que o problema se devia, ao estresse por…”ciclos liga/desliga” – e válvulas operando bem abaixo de sua ‘tensão nominal’ durariam bem mais.

Eckert e sua equipe completaram o Eniac em 2 anos e meio. A máquina pronta foi uma grande façanha da engenharia, um gigante de 27 toneladas consumindo 150 quilowatts    de energia, com um total de 18 mil válvulas…Podia fazer 5 mil somas p/seg… e calcular uma trajetória mais rápido – do que o tempo que um projétil leva para atingir seu alvo.  Contudo, mesmo assim, o Eniac tinha suas desvantagens…sua capacidade era limitada, podendo armazenar no máximo 20 números de cada vez. A programação levava dias e, demandava a manipulação de um emaranhado de cabos que mais parecia o interior de uma “central telefônica“. Além do mais…a verdade é que o aparelho foi projetado para resolver equações ‘diferenciais ordinárias’. Alguns desafios, como cálculos necessários para o…”Projeto Manhattan” – exigiam a resolução de equações “diferenciais parciais”.

Edvac

John von Neumann ao lado do IAS Machine, desenvolvido por ele com base em seu trabalho de consultoria no Electronic Discrete Variable Automatic Computer (EDVAC), o 1º computador com programa armazenado nos EUA.

John von Neumann consultor do Projeto Manhattan…que, juntamente com Albert Einstein e Kurt Godel foi um pioneiro no Instituto de Ensino Avançado, Princeton, EUA…ouviu falar sobre o Eniac em 1944,  e logo percebeu o ‘potencial ilimitado’ da computação eletrônica…ao projetar uma nova máquina… – o “Electronic Discrete Variable Automatic Computer” (Edvac),  muito mais avançado do que o…’Eniac‘,  introduzindo ideias e nomenclatura dos neurocientistas… Warren McCullough e Walter Pitts…que recentemente haviam desenvolvido uma ‘teoria das operações lógicas do cérebro’ (daí, vem o emprego    do termo “memória” em computação).

Von Neumann, McCullough e Pitts também foram influenciados por estudos teóricos do matemático britânico Alan Turing, que provou – ao final dos anos 30… ser possível usar  uma…”máquina simples” – para executar uma extensa variedade de ‘tarefas complexas’. Nesse período ocorreu uma mudança geral na percepção do computador; que passou de “instrumento matemático” à uma “máquina universal de processamento de informação”.

Von Neumann pensou a máquina com 5 partes principais: a “memória” armazenaria não só dados numéricos, mas também instruções de operação. – Uma “unidade aritmética” realizaria os ‘cálculos’. Um órgão de “entrada” permitiria a transferência de programas e dados para a memória, e um órgão de “saída“, armazenaria os resultados da computação. Finalmente…uma “unidade de controle” coordenaria as operações. Esta disposição, ou “arquitetura” permitiria trocar o “programa” do computador sem alterar a estrutura física da máquina. Além do mais, um programa poderia manipular as próprias instruções. Essa característica não apenas ajudaria Von Neumann a resolver as suas ‘equações diferenciais parciais’, mas também geraria uma grande ‘flexibilidade’…base da ciência da computação.

Evolução das Máquinas                                                                                                              A computação quântica é uma nova fronteira a ser explorada … do ponto de vista científico, industrial e comercial… A questão é estratégica – ainda mais quando as limitações impostas pela chamada Lei de Moore se fazem presentes” (W. Carnielli)

O computador…originalmente projetado para cálculos matemáticos, acabou se tornando infinitamente adaptável a diversas aplicações, do processamento de dados à computação pessoal, e à construção de uma rede global de informação. Seu desenvolvimento ocorreu em 3 áreas principais…hardware, software, e design. – Os avanços de hardware nos últimos 60 anos são lendários. As válvulas eletrônicas volumosas foram substituídas no final dos anos 50 por ‘transistores‘. No início dos anos 60, os ‘microcircuitos‘ eram compostos por vários transistores – que passaram para centenas…e depois, milhares de unidades num chip de silício. O microprocessador, no início dos anos 70 já continha uma unidade completa de processamento em um chip. O microprocessador deu origem    ao PC (computador pessoal)…e agora controla os mais variados dispositivos e sistemas.

EDSAC

O Electronic Delay Storage Automatic Calculator em 1948.

Os desafios de software foram mais sutis. – Nos anos de 1947 e 1948, Von Newmann e Goldstine produziram uma série de documentos… – com o título de…“Planejamento, e problemas de codificação em instrumento de computação eletrônica”… Nesses artigos, foram registradas dezenas de rotinas de “computação matemática”… na expectativa de    um instrumento codificador que pudesse enfim convertê-las em programas funcionais.  Isso não ocorreu… O processo de escrever programas e fazê-los funcionar era bastante difícil. E, quem primeiro descobriu isso foi o cientista de computação da Universidade      de Cambridge…Maurice Wilkes, criador do “Edsac” (visto acima) … que foi o primeiro computador capaz de armazenar seus próprios ‘programas’ – de uma maneira prática.

Ele e outros em Cambridge desenvolveram um método de escrever instruções para computador de forma simbólica… o que facilitava            todo trabalho, diminuindo risco de erros… O computador pegaria              essa “linguagem simbólica”…e a transformaria em ‘binária’ (0/1).

A IBM introduziu a linguagem de computaçãoFortranem 1957, muito simplificando na época, a criação de programas científicos e matemáticos. No Dartmouth College, em 1964, o educador John G. Kemeny e o cientista da computação Thomas E. Kurtz…inventaram oBasic…linguagem de programação simples, mas poderosa…objetivando democratizar a computação, e trazê-la a toda a população universitária…Por outro lado, a arquitetura do computador – isto é, o arranjo lógico de subsistemas que o compõem…praticamente não evoluiu… Quase todas máquinas hoje em uso, compartilham a mesma arquitetura básica do computador de “programa armazenado de 1945…mas com possibilidade de evolução.

Nos anos 80 surgiu grande interesse nas chamadas “máquinas paralelas”, que continham milhares de aparatos computacionais…operando simultaneamente. Tal arquitetura ainda    é usada em tarefas de “computação intensa“, como “previsão do tempo”. Neurocientistas (da computação) também vasculham o cérebro em busca de inspiração, e até aproveitam algumas dessas ideias, como “redes neurais”. – Assuntos de pesquisa mais extravagantes incluem a construção de “biocomputadores”, e “computadores quânticos”. Ninguém sabe como serão computadores no futuro. Talvez suas habilidades ultrapassem… até mesmo a capacidade das mentes que os criarem…se desenvolvendo por conta própria. (texto base***********************************************************************************

Elo perdido da eletrônica permitirá…”computador aprendiz” (set/2009)      Cientistas da “HP” incluíram uma camada de memristores em um processador de silício, comprovando seu funcionamento em conjunto aos componentes eletrônicos tradicionais.

memristor-chip-1O ‘memristor’ é considerado o ‘elo perdido’ da eletrônicaum componente eletrônico, similar ao resistor, mas capaz de lembrar seu passado – como ‘memória não-volátil’. Previsto teoricamente em 1971, pelo então jovem professor Leon Chua da Berkeley University — O dispositivo permaneceu quase lendário, até que…em 30/04/2008,  foi possível construir ummemristor“.

Desde que a eletrônica foi criada, ainda na época das válvulas eletrônicas, os circuitos sempre foram montados com 3 blocos básicos…’resistores’, ‘capacitores’ e ‘indutores’. Mas, em 1971, Leon Chua percebeu que estava faltando algo… – ao estudar como as 4 variáveis básicas de um circuito (tensão, corrente, carga e fluxo)se relacionam com        esses 3 elementos. Cada um dos 3 blocos básicos da eletrônica se relaciona com 2 das          4 propriedades eletrônicas dos circuitoscriando uma cadeia que conecta a carga ao        fluxo, por meio de tensão e corrente. Mas a matemática não-linear de Chua mostrava      que deveria haver um quarto componente…capaz de ligar diretamente…fluxo e carga.

Ele então batizou esse elo perdido de “memristor”, pela junção dos            termos…’memória’ e ‘resistor’ – prevendo que esse 4º componente                                            fundamental — teria certas propriedades — que não poderiam ser                                            duplicadaspor nenhuma combinação dos outros 3 componentes.

Substituindo o transístor…(Da teoria à prática)

Tudo isso permaneceu no campo da teoria até o início do ano passado, quando ficou comprovada a existência do 4º componente eletrônico fundamental. Agora as coisas parecem estar andando muito mais rápido. Apenas um ano e meio da demonstração        do memristor, ele já está no interior de um chip, trabalhando em conjunto com seus demais antigos integrantes. Assim como resistores, memristores fazem resistência à passagem da corrente elétrica. A sua grande vantagem é que ele consegue “lembrar”          da última corrente que passou por ele – funcionando assim – como uma “memória”.          Mas suas vantagens vão muito além de simples substitutos de memórias. – Eles são ótimos substitutos de transistoresCada memristor individual se mostrou capaz de substituir de 7 até 12 transistoresconforme o papel desempenhado dentro do chip.

Melhor ainda: enquanto os transistores exigem constantemente a presença de energia,        o memristor mantém sua memória mesmo quando a energia é desligada. Toda a perda    de energia que acontece nos chips atuais deixa de existir nos pontos onde o memristor substitui transistores…baixando o consumo (aquecimento) de energia do processador.

Com nanotecnologia de última geração

No estágio atual de desenvolvimento, os memristores são construídos em uma grade de nanofios…Cada junção entre dois fios é um sanduíche cujo recheio é um aglomerado de partículas de dióxido de titânio. É esse sanduíche que é o memristor. – No experimento agora feito…a camada memristores foi posta sobre a do processador CMOS tradicional. Fios de cobre são utilizados na conexão dos memristores…com os demais componentes    do chip. A adição da camada de memristores transformou o chip original em um FPGA (“Field-Programmable Gate Array”), que agora — poderá ser fisicamente reconfigurado.

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As possibilidades de avanços na eletrônica e na informática – graças ao advento do memristor, são enormes. Duas delas contudo, se destacam pela capacidade dos memristores funcionarem em 2 modos distintos — digital, e analógico.

A possibilidade baseada no “modo digital” dos memristores é a substituição das memórias RAM tradicionais, por memórias não-voláteis, que não perdem o conteúdo quando a energia      é desligada. – Isto significa, por exemplo, que podemos desligar o computador — com todos programas abertos, e ao religá-lo, continuar o trabalho imediatamente pois não será preciso aguardar todo o processo de “reinicialização”: boot…abertura dos programas…arquivos, etc.

A outra possibilidade, utilizando o modo analógico do novo componente eletrônico, é ainda mais futurística. Os pesquisadores mostraram que o modo de funcionamento dos circuitos dotados de memristores lembra muito o comportamento de ‘organismos vivos’ bem simples. Organismos vivos são “analógicos”, e não digitais, como os computadores. Isto então, abre o caminho para a criação de computadores capazes de aprender‘; onde      os memristores comporiam uma espécie de “sinapse artificial” – criando computadores “neuromórficos“. – Não será ainda…nem de longe – um chip parecido com o cérebro humano, todavia…ainda assim será um chip capaz de aprender a reconhecer padrões.

Hoje, qualquer capacidade de “aprendizado” dos computadores é baseado nos softwares que eles rodam. Com os memristores…o próprio hardware se tornará capaz de aprender.    O computador se tornará capaz – por exemplo… de adaptar sua interface com o usuário, conforme esta interação. Programas de inteligência artificial, como…reconhecimento de faces, e tradução de linguagem, também poderão explorar essa capacidade. (texto base**********************************************************************************

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 processamento quântico, essa criptografia tradicional poderá ser facilmente atacada.

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.

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A computação quântica é baseada em conceitos da física quântica como o da ‘superposição (quando a partícula está em simultâneas condições contraditórias) e ‘entrelaçamento (quando a alteração numa partícula provoca mesmo efeito em outra……que se encontra muito 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.

A solução encontrada pelos pesquisadores foi usar a chamada lógica paraconsistente, capaz de obter resultados racionais, num “controle racional da contradição”, mesmo nos casos, em que duas ou mais condições não possam ocorrer (na lógica clássica) ao mesmo tempo. – Por exemplo, um comando que, simultaneamente, indique virar à esquerda e à direita. Juan Carlos Agudelo, em sua tese de doutorado… “Computação Paraconsistente: Uma Abordagem Lógica à Computação Quântica” – criou um modelo teórico, capaz de inspirar a criação de softwares para computadores quânticos, como ele próprio explicou: Criando circuitos paraconsistentes…simulamos uma proposta de circuitos quânticos“.

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Máquina de Turing quântica [National University of Singapore]

Agudelo idealizou um computador usando a lógica paraconsistente. Empregando o “esquema”…criado pelo matemático Alan Turing…ele esboçou uma máquina, onde uma fita…(dividida em células), deslisa.  A cabeça de leitura lê apenas uma célula por vez, com sinal gráfico e comando equivalente … correndo para a direita…ou, para esquerda.

Na versão quântica…tal concepção moderna da “máquina de Turing” admite não um, mas um conjunto de posições inconcebíveis à lógica clássica; por exemplo, um comando onde a fita corra simultaneamente para a esquerda e direita e Agudelo assim explicou:  “Na lógica paraconsistente esses estados são superpostos…como se fossem empilhados”.  Para Carnielli, a originalidade do trabalho está na associação da ‘lógica paraconsistente’    à computação quântica. Mesmo com modelos iniciais básicosnovos rumos se abrem à produção de programas para “computadores quânticos“… Só essa expectativa, já tem aquecido o mercado de software. — Universidades esboçam…”programas quânticos”…e empresas anunciam sistemas de criptografia no novo paradigma. – E ele 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 – em um produto de 2 números primos. – O tempo estimado, por exemplo, para se conseguir fatorar um nº  de 20e48 bits (chave da ‘criptografia RSA’) ultrapassaria a idade da Terra…Um algoritmo quântico, porém…realizaria essa tarefa em menos de 6 horas. Assim…com ‘computadores quânticos’…chaves RSA perderiam toda sua eficácia. Mas em compensação, a criptografia quântica é um sistema de codificação praticamente inexpugnável”. (texto base, jan/2010)  ***********************************************************************************

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 podia prever’. 

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algoritmo de Shor no chip quântico fotônico. [Science]

É comum nos referirmos aos ‘computadores quânticos’ como uma nova geração 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…mas extremamente úteis, sob todos os aspectos… — ocorrem no “mundo quântico“… — Em um computador clássico, por exemplo…o programador quer saber…se cada bit tem valor 0 ou 1. – Já no computador quântico o bit quântico (qubit)  pode representar…0 e 1… ao mesmo tempo.

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 detetadas hoje, criou um algoritmo quântico para resolver sistemas de equações lineares, assim como determinar 2 variáveis ocultas, 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 empregada no cálculo da…”previsão do tempo” … e, do “processamento de imagens”.

A equipe de Lloyd demonstrou que enquanto o nº 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 assim… – o verdadeiro potencial dos computadores quânticos.

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. Usando o fenômeno da superposição, por exemplo… demonstrou-se que um “programa quântico” – pode encontrar determinada informação, numa base de dados qualquer…sem precisar, ao menos, rodar o programa*********************************************************************************

“Algoritmo quântico”                                                                                                                “Ainda que a implementação de um ‘algoritmo‘ para problemas quânticos de muitos corpos em larga escala – com os meios tecnológicos de hoje… esteja fora do alcance, o algoritmo é escalável em tamanhos de sistema compatíveis a simulações físicas reais”.

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“algoritmo metrópole” [Temme et al./Nature]

‘Computadores quânticos’ estão cada vez mais se tornando uma necessidade, a medida que a ciência cresce, e usa cada vez mais fenômenos em “escala quântica”… A simulação deles pela solução das “equações de Schrodinger” — por exemplo… tem aplicações no implemento de novos medicamentos, entre muitas outras.  Por meio dos computadores convencionais, no entanto essas equações só podem ser resolvidas — ao empregarmos ‘aproximações’.

Mas os cientistas querem chegar mais perto nessas aproximações, até problemas mais complexos; por exemplo, descobrindo uma forma de criar mecanismos de fotossíntese artificial, que poderão resolver o problema energético do mundo… – Há contudo… um problema fundamental…o chamado ‘problema do sinal‘…quando se tenta simular a mecânica quântica num computador clássico. Nos cálculos da mecânica quântica deve-      se levar em conta não só as probabilidades, mas amplitudes…que podem ser negativas.

Não obstante essa dificuldade, um grupo de físicos teóricos acaba de demonstrar que, alterações de um sistema quântico podem se reproduzir em um computador quântico universal. Para isso… criaram uma versão quântica do algoritmo clássico ‘Metrópolis‘, desenvolvido por Nicholas Metropolis, em 1953, o qual permaneceu uma curiosidade,      até o advento do computador. Na versão clássica, utiliza “mapas estocásticos”, que ao longo de inúmeras repetições, convergem a um ‘estado de equilíbrio’… — Incluído no ‘Método Monte Carlo’, é um dos algoritmos mais usados em “simulação de sistemas”.

Na versão quântica…a equipe apenas usou “mapas positivos” – em vez de ‘amplitudes        de probabilidade’. Mesmo com erros de cálculo ao se introduzirem “transições de fase quânticas”, a implementação do ‘algoritmo quântico’ pode ter aplicações importantes,        na química; física da matéria condensada; física de altas energias…e na resolução dasequações de Schrodingerpara sistemas complexos onde interajam muitas partículas.  ********************************************************************************   

Inteligência artificial (‘quântica’)  Assimilando muito mais dados, com bem mais eficiência…computadores quânticos darão um novo impulso à evolução da “inteligência artificial”.

Embora os primeiros processadores quânticos, já estejam disponíveis no mercado, só agora os 1ºs algoritmos quânticos” (as sequências de passos lógicos que um ‘processador’ usa na resolução do problema) começam a ser… — efetivamente … elaborados.

Deixando de lado problemas como a quebra de senhas de segurança, que parecem ter um apelo especial junto aos cientistas da computação…Seth Lloyd e colegas voltaram-se para problemas que exigem um pouco menos de força bruta… e mais inteligência. O resultado    é a 1ª versão quântica do “aprendizado de máquina“… tipo de “inteligência artificial” na qual os programas podem aprender com a experiência – tornando-se assim, cada vez mais capazes de encontrar… “padrões escondidos“… – em grandes volumes de dados.

Agrupar dados é tarefa central em aplicações como – reconhecimento de voz, e imagens, sempre que estes dados não forem…’varridos em sequência‘… – algo que poderia ser feito, de fato, com um número muito pequeno de qubits… — como assim explicou Lloyd:  “Nós podemos mapear o universo inteiro…toda informação criada desde o Big Bang, em 300 qubits. Na prática, a disponibilidade de um processador quântico com ao menos 12 qubits, já seria suficiente para testarmos a inteligência quântica artificial“. (set/2013) **********************************************************************************  ‘o-homem-que-computava’ (Jul/2012) # quem-vai-programar-computadores-quanticos (mar/2011) robos-c/sinais-consciência (abr/2011) computador-super-turing (abr/2012)  computadores-quanticos-fazem-licao-matematica (fev/2013) ## ciência da computação quântica (out/2014) ### algoritmo quântico para superar algoritmo clássico (dez/2015) *******************************(texto complementar)*******************************

árvores de decisão

Computação evolutiva (ago/2012)

Árvores de Decisãosão programas que fornecem aos computadores – a partir da análise de dados históricos    – a capacidade para ‘prever eventos’.  Esta técnica futurística, pode…p. ex, ajudar no diagnóstico médico…e até prever risco em aplicação financeira.

Para a melhor previsão é necessário o melhor programa gerador deÁrvores de Decisão“. Para alcançar esse objetivo… – pesquisadores do Instituto de Ciências Matemáticas e da Computação, USP/São Carlos, usaram a “teoria evolucionista” de Darwincomo explica Rodrigo Coelho Barros – pesquisador do “Laboratório de Computação”…do ICMC/USP:

“A ‘computação evolutiva’ é uma das várias técnicas “bio-inspiradas”,                              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 encontra soluções para problemas extremamente complicados”.

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

É esperado que os programas de geração de ‘Árvores de Decisão’…com o                              passar do tempo, melhorem cada vez mais…e o 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                            dura somente algumas horas – dependendo do problema a ser resolvido“.

Em ‘Ciência da Computação’ denomina-se ‘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 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. – Ao invés da “programação convencional” em que um programa executa sempre a mesma função com dados diferentes, a adaptabilidade‘ propõe um comportamento diverso, a 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 sua… experiência anterior”. **********************************************************************************

Inteligência artificial nos levará a uma Singularidade Tecnológica? (abr/2016)  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… – E sobre esse mesmo assunto,  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…pois é                  impossível exceder a inteligência humana!…Assintoticamente, até    podemos dela nos aproximar… – porém… nunca… ultrapassá-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…E, com base nesse argumento, Nikolic complementa:

“Técnicas de aprendizado de máquina podem imitar o cérebro, mas não contam com os elementos mais profundos…que nos ajudam a aprender; portanto…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, participantes 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 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 nósse quisermos trabalhar com essas 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 levaria à singularidade, como também    o que aconteceria depois disso. Pois, tornando-se as máquinas mais inteligentes que nós, nossas mentes se tornariam inadequadas até mesmo 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) **********************************************************************

Lançada primeira linguagem de programação quântica intuitiva (jun/2020)  Embora os 1ºs computadores quânticos já estejam disponíveis para experimentos – até pelainternet…não é fácil utilizá-los – o que tem restringido seu público a especialistas acadêmicos e certas empresas de tecnologia…Isto porque até agora ninguém realmente sabia como programar computadores quânticos. Mas isso parece estar prestes a mudar.

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Linguagem de programação quântica implementa a coleta de lixo automático, lidando com os erros de métodos iniciados. [Imagem: ETH Zurich]

Uma equipe do Instituto Federal de Tecnologia (ETH) de Zurique, na Suíça, lançou a 1ª linguagem de programação quântica de alto nível que funciona de forma semelhante    às linguagens…C…Java…Python…e tantas outras usadas nos computadores eletrônicos.

Embora o estabelecimento da supremacia quântica na computação venha sendo objeto de um debate acalorado…otimizar os programas para rodar em um processador quântico até agora era quase tão difícil quanto construir o próprio processador…Além disso, embora já se saiba que alguns algoritmos quânticos (estratégias para resolver um dado problema) são mais rápidos que os algoritmos clássicos, não era ainda possível implementá-los no hardware quântico existente — pois computadores quânticos ainda são propensos a erros. Além do que… – cada programa precisa ser elaborado – para cada processador específico.

Linguagem Silq                                                                                                                          “A linguagem de programação quântica Silq permite aos programadores usarem melhor o potencial dos computadores quânticos, do que as linguagens atuais — pois o código é mais compactorápidointuitivoe, mais fácil dos programadores entenderem”. (M. Vechev)

“Silq é a primeira linguagem de programação quântica que não é projetada em torno da construção e funcionalidade do hardware, mas focada no raciocínio dos programadores quando eles querem resolver um problema, sem exigir que entendam todos detalhes da arquitetura e implementação do computador…Outra vantagem, são as ferramentas que      a nova linguagem tem, para lidar com erros típicos dos processadores quânticos atuais.

Um computador eletrônico comum resolve um problema…em várias etapas (os passos do algoritmo) com resultados medianos, temporários. — Para aliviar a memória…os próprios processadores, automaticamente, apagam esses valores. Chama-se isso de “coleta de lixouma vez que os valores temporários…supérfluos…são descartados. No caso específico dos… “computadores quânticosjogar fora todos esses dados dispensáveis é mais complicada, devido ao ‘entrelaçamento quântico’fenômeno que está na base do funcionamento dos qubits.

Ocorre que os valores calculados anteriormente, podem interagir com os atuais, interferindo no cálculo correto. Portanto…limpar esses valores temporários nos computadores quânticos requer uma técnica mais avançada, a ‘descomputação’;            como melhor explica o pesquisador Benjamin Bichsel — participante da equipe:

“Silq é a 1ª linguagem de programação quântica que identifica e                                         apaga, automaticamente, valores que não são mais necessários”.

A equipe conseguiu isso, criando um método de descomputação automática,                        que usa apenas comandos de programação que não dependem de operações                envolvendo fenômenos quânticos…como “entrelaçamento” e “superposição”.                        É só a versão 1.0 da linguagem de programação quântica, mas a equipe tem                  motivos para entusiasmo…como concluiu Bichsel: “Após 2 anos de trabalho,                  fizemos um bom avanço, graças à combinação de diferentes fatores — como:                    física quântica e computação Se outros grupos de pesquisa abraçarem tais          inovaçõesserá para nós um grande sucesso”. (texto base) [linguagem Silq]

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para Da “máquina universal de calcular” aos “algoritmos quânticos”

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