Ano passado, a Organização das Nações Unidas declarou 2025 como o Ano Internacional de Tecnologias Quânticas, reconhecendo o enorme potencial dessas tecnologias disruptivas para transformar diversos setores, como saúde, química, ciência de materiais e inteligência artificial (IA). Será um tempo de celebrações, marcando as comemorações de 100 anos de mecânica quântica, desde 1925 com os primeiras trabalhos sobre spin de elétrons, princípios de Heisenberg e primeiros conceitos da mecânica quântica, com os estudos de Born, Jordan, e Heisenberg.
Com os avanços contínuos na computação quântica nos últimos 25 anos, desde o primeito dispositivo quântico de 2 qubits em 1998, em Los Alamos, as organizações precisam se preparar para integrar essas inovações em seus processos e estratégias. Podemos esperar uma aceleração importante em tecnologias quânticas nos próximos 3 anos. De fato, até mesmo as estimativas de médio e longo prazo está sendo constantemente revisadas.
Nesse contexto, o conceito de “Quantum Ready” emerge como um marco para as empresas e profissionais que buscam estar à frente dessa revolução tecnológica, destacando a importância de investimentos em capacitação, infraestrutura e novos paradigmas de desenvolvimento de soluções, cada vez mais híbridas, entre poderes de processamento baseadas em CPU, GPU, FPGA e aceleradores quânticos.
Neste primeiro artigo de 2025 aqui da coluna no AI.NEWS, vamos explorar o impacto da computação quântica nos avanços da inteligência artificial, abordando como a combinação dessas tecnologias pode gerar novas oportunidades de inovação, otimização e crescimento, revolucionando áreas como saúde, finanças, química, ciência de materiais e muito mais.
O Que é a Computação Quântica e Como Ela Funciona?
Para começar, alguns conceitos iniciais, para os novatos sobre o assunto. E para lembrar mesmo, pois sempre vale a pena ver de novo! 😊
A computação quântica é uma nova fronteira da computação, envolvendo um modelo computacional baseado nos princípios da física quântica, que permite a manipulação de dados de maneiras que os computadores tradicionais (baseados em álgebra binária ou booleana) não conseguem. A computação quântica utiliza assim qubits (ou bits quânticos) para representar e processar informações. Um bit quântico (ou qubit) é a unidade fundamental de informação na computação quântica, assim como o bit é na computação clássica. A principal diferença é que, enquanto um bit clássico pode estar em um de dois estados possíveis (0 ou 1) num certo instante, um bit quãntico (ou qubit) pode existir simultaneamente em uma combinação de ambos os estados, graças ao fenômeno chamado superposição. Ou seja, um qubit pode estar num estado 100% zero (|0>), 100% um (|1>) ou 50% zero (|0>) e 50% um (|1>), quando em superposição uniforme. Ao realizarmos uma operação de leitura sobre o qubit em superposição uniforme, temos 50% de chance de obter um valor 0 e 50% de chance de ler um valor 1, operação conhecida como medição. Assim, durante a execução de um processamento quântico, com inúmeros qubits em superposição, podemos processar cálculos com uma vantagem exponencial, nativa de computadores quânticos. Pense que 2 qubits podem tratar 4 estados simultaneamente (pois 22=4), 3 qubits podem tratar 8 estados simulataneamente (23=8), e assim por diante. Imagine um computador quântico com 50 qubits. Ele pode tratar simultaneamente 250 = 1,12×1015 possíveis estados desse espaço, acelerando a solução de problemas realmente complexos.
Outro conceito importante é o emaranhamento quântico, onde dois ou mais qubits podem se correlacionar de tal forma que o estado de um afeta diretamente o estado do outro. Esse fenômeno é fundamental para a criação de sistemas quânticos mais poderosos, pois também permite a transmissão de informações, através de protocolos que serão as bases da futura internet quântica. O emaranhamento é um conceito fundamental para a comunicação quântica, além de ser usado em diferentes algortimos.
Por fim, a interferência quântica ocorre quando as probabilidades associadas aos estados de um qubit podem se reforçar ou cancelar, dependendo de como os qubits interagem entre si. Esse fenômeno é usado para guiar a evolução dos cálculos quânticos de um algoritmo em execução, permitindo que soluções corretas sejam amplificadas e soluções incorretas sejam diminuídas, otimizando os resultados.
Esses fenômenos – superposição, emaranhamento e interferência – são os pilares que tornam a computação quântica tão diferente e capaz de resolver problemas extremamente complexos, muito além das capacidades dos computadores clássicos.
Quando pensamos em operações sobre qubits, um computador quântico utiliza portas quãnticas. Assim como utilizamos portas binárias em computação clássica, como AND, NOT, XOR, NAND, entre outras, computadores quãnticos utilizam portas quânticas como H, X, Z, T, entre outras, que operam sobre qubits. A principal diferença é que, enquanto computadores clássicos são regidos pela álgebra binária ou booleana, de zeros e uns, computadores quânticos utilizam a álgera linear, de vetores e matrizes. Isso vem diretamente da física quântica, que celebramos agora desde seu nascimento em 1925. Assim, um qubit pode ser representado por um VETOR. E uma operação sobre o qubit pode ser representada por uma MATRIZ. Então uma sequência de operações sobre qubits de um algoritmo quântico é uma sequência de multiplicações de MATRIZES sobre VETORES, caracterizando a matemática fundamental da computação quântica.
Álgebra linear e a esfera de Bloch
Para ilustrar um pouco mais esse universo, um qubit pode ser representado como um vetor dentro de uma esfera chamada ESFERA DE BLOCH, originada na física quântica. Veja que legal, um qubit pode ser a setinha dentro da esfera; quando a setinha aponta para cima, representa um estado quântico |0>. Quando aponta para baixo, representa o estado |1>. E quando está exatamente no meio da esfera, em seu equador, representa um estado uniforme de superposição. Nesse momento, falamos que nosso qubit tem uma combinação de estados entre 0 e 1. Ao medir esse qubit, uma operação que chamamos de MEDIÇÃO, temos 50% de chance de ler um valor clássico ZERO e 50% de chance de ler um valor UM.
E assim, acabamos de descobrir algo importante: computadores quânticos não são determinísticos, mas sim, probabilisticos. Então executamos um programa quântico inúmeras vezes, para criar uma chamada distribuição de probabilidades, sobre os possíveis resultados. Os estados de maiores amplitudes representam a solução do problema tratado pelo algoritmo.
A boa notícia é que esse processo de execução e medição é bastante eficiente. Podemos rodar um algoritmo quântico 1000 ou 4000 vezes sobre um computador real e obter uma distribuição de probabilidades resolvendo um problema em tempo chamado “POLINOMIAL”. Ou seja, um problema que levaria milhares de anos para se atingir uma solução em computação clássica pode levar segundos em computação quãntica, para a criação de uma distribuição de probabilidades com os estados corretos amplificados da solução.
Basicamente, uma solução quãntica completa em plataforma Microsoft tem os seguintes componentes que vemos a seguir:
Então temos:
- Usamos um computador e ambiente de desenvolvimento clássico, como Visual Studio ou Jupiter Notebook e linguagem de programação Q# ou Python, para escrever nosso programa quântico;
- Em nossa subscrição em plataform Azure Quantum criamos um storage, onde teremos associado o Workspace para nossos experimentos;
- No Azure Quantum Workspace, subimos nosso programa, que será direcionado para um ambiente de execução;
- Um ambiente de execução pode ser um hardware real, de um dos parceiros da plataforma Azure Quantum, como PASQL, QCI, IONQ, RIGETTI, entre outros.
- Ao escolher o provider de ambiente desejado, submetemos nosso programa para execução de um computador quântico real. Note que cada hardware pode ainda usar uma tecnologia de implementação de qubit diferente, entre gaiola de íons, supercondutores, núcleo de diamantes, entre outras.
- Finalmente, recebemos uma distribuição de probabilidades de estados a partir da execução de nosso programa, por um número de shots escolhidos, isto é, um número de vezes que escolher rodar o programa no hardware real. Esse resultado representa os estados quânticos finais da solução.
E assim, vimos rapidamente o contexto de programação e alguns conceitos em torno de computação quântica. Esse universo é gigantesco e por isso, surge a iniciativa Quantum Ready.
Quantum Ready: Preparando Organizações para o Futuro
Definir o que significa ser “Quantum Ready” implica em adotar uma mentalidade proativa para o futuro, preparando a organização para integrar a computação quântica em seus processos e sistemas. A adoção de tecnologias quânticas não é apenas uma questão de infraestrutura, mas também envolve a transformação de processos de negócios, a capacitação de talentos e o desenvolvimento de novas abordagens para a resolução de problemas.
Claro, nem todos os cenários são consumidores de algoritmos de computação quântica, mas podemos esperar para os próximos anos serviços baseadas em Quantum as a Service (QaaS), para soluções em otimização, simulação, logística e cálculos em problemas de química, ciência de materiais, entre muitos outros.
Em janeiro de 2025, como parte das celebrações do IYQ2025, a Microsoft lançou o programa “Quantum Ready”, onde empresas e profissionais podem iniciar uma jornada de capacitação e exploração sobre tecnologias quânticas.
O portal segue aqui: https://quantum.microsoft.com/en-us/quantum-ready/get-started
Nessa jornada, podemos esperar muito material sobre aceleração de descoberdas científicas a partir da sinergia de tecnologias como HPC – High Performance Computing, AI – Artificial Intelligence e Quantum.
Essa sinergia de tecnologias tem sido constantemente explorada através do portal Azure Quantum, em especial para os cenários de química e ciência de materiais, confira:
https://quantum.microsoft.com/en-us/vision/quantum-for-chemistry
O Impacto da Computação Quântica para Quantum AI
Estamos no portal AI.NEWS, então vamos falar um pouco sobre AI com Quantum! 😊
Quantum AI é uma área emergente que combina a inteligência artificial com a computação quântica. O uso de algoritmos quânticos para melhorar a eficiência de modelos de IA pode levar a soluções inovadoras em aprendizado de máquina, otimização, análise de grandes volumes de dados e muito mais.
Falamos um pouco sobre essa área no artigo de novembro de 2024, esse:
Na época, falamos de modelos como BioGPT, Graphormer e Magentic One, como exemplos de modelos de IA resolvendo problemas das chamadas Deep Techs, ou startups de alta tecnologia, para cenários complexos em quimica e ciência de materiais.
De lá para cá, um novo modelo foi anunciado na mesma linha de inovação, o MatterGen, destinado para a aceleração de descobertas de novos materiais, integrando IA com HPC e Quantum. Confira mais no link a seguir:
Em artigo sobre aplicações para computação quântica, o portal Built-In cita 10 exemplos promissores, onde vemos IA com destaque:
- Inteligência artificial
- Baterias melhores
- Fertilização mais limpa
- Cibersegurança
- Desenvolvimento de medicamentos
- Descoberta de materiais eletrônicos
- Modelagem financeira
- Captação solar
- Otimização de tráfego
- Previsão do tempo e mudança climática
Confira: https://builtin.com/hardware/quantum-computing-applications
E muitos outros reports e livros exploram o impacto de Quantum AI para diferentes indústrias. Veja alguns exemplos a seguir:
Convergence: Artificial Intelligence and Quantum Computing: Social, Economic, and Policy Impacts 1st Edition. by Greg Viggiano (Editor), David Brin (Foreword)
Quantum AI and its Applications Kindle Edition. by Rakesh Kumar (Author)
Quantum AI: The Future of Intelligence. by Aiden Cooper (Author)
Desafios Atuais E Oportunidades Futuras
O desenvolvimento de Quantum AI ainda enfrenta barreiras importantes, como a necessidade de hardware quântico robusto e a resolução de problemas técnicos, como a correção de erros quânticos e a adaptação de algoritmos clássicos para a computação quântica. Esses obstáculos devem ser superados para que o potencial da Quantum AI seja totalmente realizado.
Mas já é possivel conferir inúmeros trabalhos acadêmicos e de pesquisa sobre o tema, em plataformas como IEEE e ARXIV. Confira a seguir alguns exemplos:
Quantum Intelligence: Merging AI and Quantum Computing for Unprecedented Power
Quantum Computers: A Review on How Quantum Computing Can Boom AI | IEEE Conference Publication | IEEE Xplore
Overview on Quantum Computing and its Applications in Artificial Intelligence
Artificial Intelligence for Quantum Computing
Quantum Artificial Intelligence: A Brief Survey
E como curiosidade, diversos laboratórios de pesquisa e institutos já publicaram seus primeiros resultados sobre Quantum AI, acelerando cenários de soluções baseados na integração de ambientes de HPC, IA e QUANTUM. Veja alguns a seguir:
NASA Quantum Artificial Intelligence Laboratory (QuAIL)
Research Institute for Advanced Computer Science (RIACS)
Centre of Hong Kong Quantum AI Lab
O Futuro do Quantum AI: Perspectivas para 2025 e Além
Quando buscamos relatórios e referências sobre tecnologias promissoras para 2025, praticamente todas citam cenários como agentes de IA, IA responsável, IA para sustentabilidade, IA generativa, etc. E muitos desses relatórios já apontam para Quantum AI como tecnologia para se manter no radar para esse ano.
Em especial, o relatório da Tech Startups – “Top 15 AI Trends for 2025: Expert Predictions You Need to Know” é interessante, indicando 15 tendências para 2025 envolvendo IA para inovação e startups. Entre as principais, o artigo cita Quantum AI como um grande potencial para 2025, com a expectativa de novos modelos e formas de integração de AI com Quantum.
Em artigo da Forbes, “The 10 Biggest AI Trends Of 2025 Everyone Must Be Ready For Today”, Quantum AI também é citada como promissora para esse ano, com impacto esperado para diferentes aplicações. Confira:
Conclusão
A computação quântica e Quantum AI têm o potencial de revolucionar a maneira como entendemos e aplicamos a inteligência artificial no dia-a-dia. Embora existam desafios a serem superados, 2025 será um tempo essencial para garantir que profissionais, organizações e governos estejam prontos para aproveitar o poder transformador dessas tecnologias emergentes.
A ideia desde artigo foi explorar o contexto atual com diferentes fontes de pesquisa, survey e relatórios. A partir desse material, muitos insights possíveis sobre aplicações reais para diferentes indústrias.
O ano de 2025 será, sem dúvida, um marco importante para a aceleração da inovação quântica. E as organizações “Quantum Ready” estarão na vanguarda dessa revolução.
Para ficar no radar!
