Importante algoritmo quântico pode realmente ser uma propriedade da natureza


Evidências de que as pesquisas quânticas são uma característica comum do comportamento dos elétrons podem explicar o código genético, um dos maiores quebra-cabeças da biologia.

Importante algoritmo quântico pode realmente ser uma propriedade da natureza
MS. TECH; Imagem Original: WIKIMEDIA COMMONS

Em 1996, um físico quântico do Bell Labs no estado da Nova Jersey publicou uma nova receita para pesquisar em um banco de dados de N entradas. Os cientistas da computação sabem há muito tempo que esse processo leva cerca de N etapas porque, na pior das hipóteses, o último item da lista pode ser do seu interesse.

No entanto, esse físico, Lov Grover, mostrou como as estranhas regras da mecânica quântica permitiam que a pesquisa fosse realizada em vários passos iguais à raiz quadrada de N.

Isso foi um grande avanço. A busca em bancos de dados é uma tarefa fundamental da ciência da computação, usada para tudo, desde encontrar números de telefone até quebrar códigos criptográficos. Portanto, qualquer aceleração é um avanço significativo.

A mecânica quântica forneceu um toque adicional. Na época, a receita de Grover era apenas o segundo algoritmo quântico que havia sido provado mais rápido que seu equivalente clássico. (O primeiro foi o algoritmo de Peter Shor para fatoração de números, que ele descobriu em 1994.) O trabalho de Grover foi um fator importante na preparação do caminho para a revolução da computação quântica que ainda está em andamento hoje.

Mas, apesar do interesse, a implementação do algoritmo de Grover levou tempo devido aos significativos desafios técnicos envolvidos. O primeiro computador quântico capaz de implementá-lo apareceu em 1998, mas a primeira versão escalável não apareceu até 2017 e, mesmo assim, funcionou com apenas três qubits. Portanto, novas formas de implementar o algoritmo são desesperadamente necessárias.

Hoje, Stéphane Guillet e colegas da Universidade de Toulon, na França, dizem que isso pode ser mais fácil do que se esperava. Eles dizem ter evidências de que o algoritmo de pesquisa de Grover é um fenômeno natural.

Eles disseram:

Nós fornecemos a primeira evidência de que, sob certas condições, os elétrons podem se comportar naturalmente como uma pesquisa de Grover, procurando defeitos em um material.

Isso tem implicações óbvias para a computação quântica, mas sua importação real pode ser muito mais profunda.

Por algum tempo, os teóricos debateram se a pesquisa quântica poderia explicar um dos maiores mistérios sobre a origem da vida. A idéia de que as pesquisas de Grover ocorram na natureza poderia finalmente resolver o enigma.

Primeiro alguns antecedentes. Por ser tão fundamental, o algoritmo de pesquisa de Grover pode ser reformulado de várias maneiras. Uma delas é como uma caminhada quântica através de uma superfície – a maneira como uma partícula quântica se moveria aleatoriamente de um ponto para outro.

Claramente, esse processo é uma espécie de busca do espaço bidimensional. Mas como uma partícula quântica pode explorar muitos caminhos ao mesmo tempo, é muito mais rápida que uma pesquisa clássica.

A natureza da superfície tem uma influência importante na pesquisa. Por exemplo, um tipo de superfície consiste em uma grade quadrada em que a partícula quântica tem quatro movimentos possíveis em cada vértice.

Mas existem muitas outras grades possíveis; uma triangular, por exemplo, onde a partícula quântica tem três opções em cada vértice.

Guillet e colaboradores dizem:

A grade triangular é de particular interesse devido à sua semelhança com vários materiais semelhantes a cristais naturais.

A equipe se concentrou em simular a maneira como uma pesquisa Grover trabalha para elétrons explorando grades triangulares e quadradas, mas também incluiu outros efeitos fisicamente realistas, como defeitos na grade na forma de furos e propriedades quânticas, como efeitos de interferência.

Os resultados são reveladores. A pergunta que eles fazem é com que rapidez um elétron pode encontrar o buraco em uma grade. E o grande avanço da equipe é mostrar que essas simulações reproduzem o comportamento dos elétrons reais em materiais reais.

Em outras palavras, isso é evidência de que elétrons livres naturalmente implementam o algoritmo de busca de Grover ao se moverem pela superfície de certos cristais. Isso tem implicações imediatas para a computação quântica.

A equipe informou:

[Este trabalho] pode ser o caminho para um salto tecnológico sério, pelo qual o experimentalista ignoraria a necessidade de um Computador Quântico escalonável e de correção de erros, e adotaria o atalho para procurar por ‘ocorrências naturais’ da pesquisa Grover.

O trabalho também tem implicações para o nosso pensamento sobre o código genético e a origem da vida. Todo ser vivo na Terra usa o mesmo código, no qual o DNA armazena informações usando quatro bases nucleotídicas. As sequências de nucleotídeos codificam informações para a construção de proteínas a partir de um alfabeto de 20 aminoácidos.

Mas por que esses números – quatro e 20 – e não outros? Em 2000, apenas alguns anos após Grover publicar seu trabalho, Apoorva Patel, do Instituto Indiano de Ciência de Bangalore, mostrou como o algoritmo de Grover poderia explicar esses números.

A ideia de Patel está relacionada à maneira como o DNA é montado dentro das células. Nessa situação, a maquinaria molecular dentro de uma célula deve procurar através da sopa molecular de bases nucleotídicas para encontrar a correta. Se houver quatro opções, uma pesquisa clássica realiza quatro etapas, em média.

Portanto, o maquinário precisaria tentar quatro bases diferentes durante cada etapa da montagem.

Mas uma pesquisa quântica usando o algoritmo de Grover é muito mais rápida: Patel mostrou que, quando existem quatro opções, uma pesquisa quântica pode distinguir entre quatro alternativas em uma única etapa. De fato, quatro é o número ideal.

Esse pensamento também explica porque existem 20 aminoácidos. No DNA, cada conjunto de três nucleotídeos define um único aminoácido. Portanto, a sequência de trigêmeos no DNA define a sequência de aminoácidos em uma proteína.

Mas durante a montagem da proteína, cada aminoácido deve ser escolhido entre uma sopa de 20 opções diferentes. O algoritmo de Grover explica esses números: uma pesquisa quântica em três etapas pode encontrar um objeto em um banco de dados contendo até 20 tipos de entrada.

Novamente, 20 é o número ideal. Em outras palavras, se o processo de busca envolvido na montagem do DNA e das proteínas for o mais eficiente possível, o número de bases deve ser quatro e o número de aminoácidos deve ser 20 – exatamente como é encontrado. A única ressalva é que as pesquisas devem ser de natureza quântica.

Quando Patel publicou sua ideia, os físicos quânticos imediatamente a criticaram. Na época, eles estavam atolados em suas próprias tentativas de controlar processos quânticos, o que eles só podiam fazer isolando partículas quânticas em ambientes extremos, como em temperaturas próximas ao zero absoluto.

O problema óbvio, disseram eles, era que os seres vivos operavam em um ambiente quente e desordenado, no qual estados quânticos seriam imediatamente destruídos.

Os biólogos foram igualmente desdenhosos, dizendo que processos quânticos não poderiam estar funcionando dentro de seres vivos.

Desde então, surgiu um crescente corpo de evidências de que os processos quânticos desempenham um papel importante em vários mecanismos biológicos. A fotossíntese, por exemplo, é agora considerada um processo essencialmente quântico.

O trabalho de Guillet e companhia lança uma nova perspectiva sobre tudo isso. Isso sugere que o algoritmo de Grover não é apenas possível em certos materiais; parece ser uma propriedade da natureza. E se isso for verdade, então as objeções às ideias de Patel começam a desmoronar.

Pode ser que a vida seja apenas um exemplo da pesquisa quântica de Grover em funcionamento e que esse algoritmo seja uma propriedade fundamental da natureza. Essa é uma grande ideia, se já houve alguma.

(Fonte)

Colaboração: Richard Stiesto


A antiga rigidez científica, a qual acha que nada que seja tão extraordinário possa ser possível, tem sido desmoronada frequentemente. Não fora pelos cientistas com mente aberta, que realmente encaram todas as possibilidade e não ficam atrelados a somente o que lhes foi ensinado, ainda estaríamos na Idade Média.

O todo mundo pode ser quântico, pois a Mecânica Quântica está cada vez mais se mostrando presente em diferentes processos naturais. Talvez ela seja a base de tudo.

Só precisamos estuda-la mais.

n3m3

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