Como a computação quântica desafiará a computação clássica nos negócios

Imagine que uma empresa farmacêutica fosse capaz de reduzir o tempo de pesquisa de medicamentos inovadores em uma ordem de grandeza. Ela poderia expandir seu pipeline de desenvolvimento, entrar em menos becos sem saída e levar remédios e tratamentos para o mercado muito mais rápido, beneficiando milhões de pessoas em todo o mundo.

Ou imagine que uma empresa de logística pudesse gerenciar dinamicamente as rotas de sua frota de milhares de caminhões. Ela poderia não apenas levar em conta uma gama alucinante de variáveis e se ajustar rapidamente à medida que oportunidades ou restrições surgissem, mas também fazer com que produtos chegassem mais frescos ao varejo e evitar a emissão de toneladas de carbono todos os anos.

A computação quântica tem o potencial de transformar esses e muitos outros sonhos em realidade – e é por isso que empresas de tecnologia, investidores privados e governos estão investindo bilhões de dólares na construção de ecossistemas de startups quânticas. Grande parte dessa comunidade de pesquisa está ocupada em mostrar a vantagem quântica, o que significa que um computador quântico pode realizar um cálculo, não importa qual, que seria impossível em um computador clássico, ou binário (veja “Um glossário quântico”). Executar um cálculo milhares de vezes mais rápido pode criar um enorme valor econômico se ele for de interesse para o mercado.

No entanto, o custo do hardware quântico, ao lado da melhoria constante da performance dos computadores clássicos, significa que a computação quântica não mostrará uma vantagem comercial óbvia, a menos que pesquisadores e investidores mudem seu foco para a busca do que chamamos de vantagem econômica quântica. Uma empresa alcança uma vantagem econômica quântica quando um computador quântico fornece uma solução comercialmente relevante, mesmo que apenas um pouco mais rápida do que um computador, ou quando um computador quântico traz soluções viáveis diferentes das que um computador clássico produz.

Qual a importância da vantagem econômica quântica

Em uma estreia dramática, uma equipe do Google liderada por John Martinis ganhou as manchetes em todo o mundo em 2019, quando sua máquina quântica concluiu, em segundos, um cálculo (benchmarking de entropia cruzada) que levaria dezenas de milhares de anos em um computador binário. Outras empresas também noticiaram feitos semelhantes de vantagem quântica, incluindo pesquisadores da startup de computação quântica Xanadu, que recentemente completou uma tarefa bem definida (amostragem de bóson gaussiano) em menos de um segundo, o que teria levado 9.000 anos se feita pelo melhor supercomputador clássico.

Centenas de artigos e muitas das principais mentes da área se concentraram em mostrar esses tipos de vantagem quântica. Essas demonstrações representam marcos importantes no desenvolvimento de computadores quânticos. Mas, como normalmente envolvem cálculos excepcionais e que podem não ser relevantes para os tipos de problemas que muitas empresas precisam resolver, os gestores podem supor que a tecnologia ainda não é útil e economicamente viável para as empresas. Sustentamos que a tecnologia quântica não precisa fornecer uma vantagem quântica para ser economicamente útil, desde que ainda possa fornecer resultados diferentes ou em tempo menor do que suas contrapartes binárias. Qualquer aceleração quântica oferece uma oportunidade de vantagem econômica quântica (ver “”Cenário de vantagem econômica quântica””).

Embora a vantagem quântica possa ter utilidade em alguns casos, muitos dos usos mais importantes dos computadores quânticos surgirão a partir de um custo-benefício e velocidade relevantes, quando comparados aos resultados de um computador convencional. Em outras palavras, uma vantagem econômica quântica pode existir sem uma vantagem quântica.

As acelerações quânticas despertam um apetite por soluções para desafios de negócios, em que a capacidade de resolver problemas complexos de forma extremamente rápida conferiria uma poderosa vantagem competitiva. Um esforço considerável na computação quântica é dedicado à busca de potenciais acelerações para problemas de negócios, embora as evidências de uma aceleração quântica robusta para problemas comercialmente relevantes tenham sido menores. No entanto, identificar e realizar esse potencial comercial traz um incentivo fundamental para produzir computadores quânticos e influencia significativamente seu design.

A computação clássica continua sendo uma ferramenta valiosa para resolver problemas complexos; o trabalho pioneiro do AlexNet (deep learning) e do AlphaFold (estrutura proteica) são dois exemplos que têm alto valor comercial. A computação quântica pode ser a melhor ferramenta para resolver uma questão se apresentar a solução mais rapidamente do que um concorrente tradicional. Executar o mesmo cálculo em computadores quânticos e clássicos também pode fornecer duas respostas diferentes, e qualquer uma delas pode ser a melhor. Quando as apostas comerciais são altas o suficiente, ter soluções clássicas e quânticas pode ser útil, o que mostra que soluções quânticas podem ser comercialmente atrativas.A questão de quando os computadores quânticos existentes ou futuros gerarão oportunidades comerciais substanciais é, portanto, de interesse imediato, muito antes que a vantagem quântica se torne óbvia em futuras máquinas tolerantes a falhas.

Abrindo fronteiras comerciais valiosas

Identificar o potencial comercial de um computador quântico não requer uma compreensão da física quântica que sustenta a tecnologia. Em vez disso, o foco deve estar no que ele pode fazer melhor, mais rápido ou talvez diferente dos computadores clássicos e nas partes interessadas que verão valor nesses resultados. As visões dos setores farmacêutico e logístico que compartilhamos no início deste artigo ilustram os efeitos transformadores que a computação quântica pode ter. Os exemplos que destacamos abaixo mostram o alto valor que a computação quântica já pode apresentar dentro dos fluxos de trabalho existentes.

Tome melhores decisões de investimento mais rapidamente. O setor financeiro enfrenta muitos problemas de otimização. Encontrar o caminho mais rentável, por exemplo, envolve determinar a melhor estratégia de negociação para uma carteira de investimentos durante um período específico. A otimização de portfólio é um problema relevante, dado que, globalmente, mais de US$ 100 trilhões em ativos estão sob gestão. Mesmo pequenas melhorias terão valor devido ao tamanho de ativos investidos.

Em alguns casos, determinar a estratégia de investimento ideal requer uma pesquisa considerando todas as opções possíveis. Esse esforço se torna exponencialmente mais desafiador à medida que aumenta o número de possíveis títulos na carteira e o número de oportunidades de mudança de carteira. Um trabalho recente tentou resolver um problema de otimização de portfólio que tem 10¹³⁰⁰ possibilidades — uma quantidade muito superior ao número de átomos no universo visível (10⁸⁰).

As máquinas quânticas podem ajudar. Pesquisadores da empresa de software quântico Multiverse Computing compararam um punhado de métodos diferentes para resolver o problema da formulação da carteira. Apenas dois dos seis métodos de otimização forneceram uma solução para a versão mais complexa do problema avaliado, e a solução das máquinas binárias levou quase 700 vezes mais tempo para ser gerada do que a solução quântica. As ferramentas quânticas também produziram uma solução diferente – com lucros mais altos, mas associados ao risco mais baixo – do que a sugerida por técnicas estritamente clássicas.

Esses resultados não são um exemplo de vantagem quântica, porque ainda é possível que uma avaliação exaustiva de todas as abordagens possíveis para resolver esse problema possa gerar soluções iguais ou melhores do que as abordagens quânticas usadas pelos pesquisadores do multiverso. No entanto, representa um exemplo de vantagem econômica quântica, porque gerar uma solução rapidamente é valioso. (Veja “”Ganhando uma vantagem quando tempo é dinheiro.””)

Determinar qual das duas soluções é melhor – quântica ou binária – continua sendo um desafio. Embora as partes interessadas do mercado financeiro atualmente não tenham acesso a computadores quânticos totalmente tolerantes a falhas, eles também não têm acesso fácil a supercomputadores clássicos que são referência para avaliar a vantagem quântica. Assim, comparar as abordagens quânticas atuais com as máquinas otimizadas comercializadas ainda fornece uma referência valiosa para o desempenho da abordagem quântica. Os melhores supercomputadores atuais ainda podem gerar uma solução semelhante ou superior em tempo hábil – ou seja, em um período de tempo que é inferior a uma vida humana.

Resolva trade-offs de negócios aparentemente sem solução – quase qualquer problema de negócios que envolva transações complexas – desde o planejamento do dia a dia até decisões estratégicas de longo prazo – é adequado para computadores quânticos. Pense em varejistas que estão avaliando onde colocar determinados produtos em suas lojas para maximizar a receita, ou educadores tentando avaliar quais perguntas fazer e em qual ordem para maximizar o aprendizado. Esses desafios são conhecidos como problemas de otimização combinatória. A criação da receita mais saborosa em um restaurante também é uma otimização combinatória, assim como os desafios logísticos mencionados no início deste artigo. Mesmo melhorias modestas podem ter um grande impacto na lucratividade de uma empresa.

Os líderes de negócios geralmente confiam na intuição humana para resolver esses problemas de otimização. À medida que as empresas crescem, elas podem passar a contar com o poder computacional para identificar as melhores soluções. Para o mais complexo desses problemas, mesmo os computadores mais poderosos de hoje podem fornecer apenas uma aproximação. Os computadores quânticos poderiam, no entanto, realizar uma pesquisa através de todas as combinações possíveis de arranjos ou sequências para encontrar a melhor opção, com uma aceleração moderada comparativamente a resultados de computadores clássicos.

É aí que eles podem ter uma ampla gama de aplicações em praticamente qualquer setor de negócios. Por exemplo, identificar as razões para a falha da máquina quando as taxas de falha são baixas é um problema desafiador de otimização combinatória na manufatura avançada. Encontrar a causa da falha rapidamente é importante, porque o tempo de inatividade pode ser caro. Se a computação quântica pode acelerar o processo de determinar porque um processo de fabricação falhou, ela tem valor mesmo onde as abordagens clássicas podem eventualmente encontrar a mesma razão para o fracasso.

Descubra materiais melhores. A rapidez e a qualidade das soluções quânticas também devem melhorar a eficiência dos processos de pesquisa e desenvolvimento que levam a novos materiais ou medicamentos, porque reduzem o custo e aceleram o ritmo de descoberta em relação às técnicas binárias.

Na seleção de materiais, os computadores já simulam o comportamento complexo de átomos e moléculas constituintes e preveem de forma confiável as relações estrutura-propriedade das moléculas. Há aplicações, no entanto, em que os computadores clássicos enfrentam limites significativos no tamanho das moléculas que podem testar. Mesmo simulações envolvendo as menores moléculas são computacionalmente intensivas, e a adição de até mesmo um átomo ou elétron pode tornar uma simulação clássica drasticamente mais lenta. Isso torna muitas vias de design auxiliado por computador indisponíveis para as moléculas maiores que são do interesse das indústrias farmacêutica, química e de materiais.

Uma maior velocidade de computação confere a capacidade de simular moléculas maiores e mais complexas em um prazo menor, e os computadores quânticos estão prontos para causar um impacto significativo nessa área. Acredita-se que eles sejam capazes de fornecer acelerações para os cálculos necessários para prever a estrutura eletrônica de átomos e moléculas, embora a natureza exata dessas acelerações gere atualmente um intenso debate na comunidade científica.

O valor duradouro da vantagem quântica

Menções recentes de vantagem quântica podem não ter aplicação comercial – e, portanto, nenhuma vantagem econômica quântica – mas são importantes porque estabelecem a possibilidade de que os computadores quânticos possam executar certas tarefas que os computadores clássicos não podem.

A aplicação do algoritmo de Shor é talvez o exemplo mais frequentemente referenciado de como a vantagem quântica pode afetar a sociedade. O matemático americano Peter Shor, que recentemente ganhou o prêmio mais lucrativo da ciência, o Breakthrough Prize in Física Fundamental, demonstrou que um computador quântico poderia fatorar um número inteiro grande o bastante para os computadores clássicos não poderem fazer o mesmo. Um computador quântico suficientemente potente poderia fatorar esses números inteiros maiores em dias ou menos, enquanto um computador clássico poderia precisar de mais tempo do que levaria para o sol ficar sem hidrogênio.

Embora isso possa parecer abstrato, a dificuldade que os computadores clássicos têm em fatorar números muito grandes é, na verdade, o que permite a criptografia moderna. A relativa facilidade com que os computadores quânticos poderiam teoricamente realizar os cálculos envolvidos na desencriptação fornece um exemplo de onde esperamos que exista uma vantagem quântica clara. Se um computador quântico pudesse implementar o algoritmo de Shor, então grande parte das informações criptografadas no passado poderia ser decodificada – e isso inclui uma grande quantidade de dados criptografados que foram roubados de organizações em ataques cibernéticos.

Essa ameaça é remota hoje, porque a comunidade quântica está longe de construir computadores quânticos tolerantes a falhas grandes o suficiente para usar o algoritmo de Shor para quebrar códigos. Mas merece a atenção de gestores de quase todos os setores, que acabarão compondo um grande mercado para novos padrões de criptografia robustos e quânticos. Aqui, a capacidade dos computadores quânticos de gerar números aleatórios pode desempenhar um papel no suporte a defesas de segurança cibernética mais avançadas.

Os computadores quânticos são probabilísticos, o que significa que podem gerar números verdadeiramente aleatórios. Seus correspondentes binários, ao contrário, são deterministas e, portanto, podem gerar apenas números pseudoaleatórios. No entanto, mesmo quando um computador quântico pode fazer algo com uma aplicação prática clara que um computador clássico não pode fazer, os líderes empresariais ainda devem pesar as compensações. Em alguns casos, a abordagem clássica pode ser considerada boa o suficiente, limitando os incentivos da organização para mudar para o quantum. Este pode ser o caso de algumas outras aplicações potenciais para geradores de números aleatórios quânticos (RNGs), como nos setores de jogos de loteria e cassino.

As loterias selecionam os números vencedores eletronicamente ou fisicamente, por exemplo, sorteando bolas numeradas em caixas. Os números resultantes não são verdadeiramente aleatórios. Como o processo é determinista, seria possível que alguém pudesse prever os números se soubesse algo sobre o processo subjacente que os gerou, ou manipulasse o processo para gerar certos números.

Embora esse tipo de manipulação já tenha de fato ocorrido, as loterias provavelmente não abandonarão seus processos atuais tão cedo, apesar do que parece ser um argumento claro para o uso da computação quântica. Em primeiro lugar, a fraude na loteria por meio da manipulação do processo de geração de números é rara, talvez pela punição em caso de ser pego, presença de regras rígidas para participantes do processo e a existência de poderosas ferramentas analíticas para detectar fraudes. Em segundo lugar, na ausência de fraude, pseudo-RNGs produzem resultados que muitas vezes são indistinguíveis de suas contrapartes quânticas. Embora seja teoricamente possível prever o resultado de uma loteria antes de sacar bolas de várias cestas, na prática é inviável fazê-lo. As loterias, portanto, têm pouco incentivo para mudar para máquinas quânticas. Os gestores que enfrentam casos semelhantes em que a computação quântica fornece uma capacidade totalmente ausente na computação clássica também precisarão pesar custo e benefício relativos da solução ótima versus a solução boa o suficiente.

Preparando-se para a computação quântica nos negócios

Para cumprir sua promessa e gerar novos valores e oportunidades comerciais, uma máquina quântica não precisa realizar uma tarefa atualmente impossível, mas apenas algo útil. Esse momento está chegando, à medida que bilhões de dólares em investimentos de risco, grandes empresas de tecnologia e governos nacionais alimentam melhorias rápidas nos computadores quânticos que os tornarão mais eficientes do que os binários.

O consenso entre a maioria dos atores do governo e da indústria parece ser que computadores quânticos tolerantes a falhas em grande escala quase certamente não aparecerão antes do final desta década. Embora possa levar anos para que computadores quânticos comercialmente relevantes existam em escala, os líderes empresariais já podem tomar várias medidas para preparar seus negócios para esta era.

Faça uma lista de desafios: “”Se pudéssemos apenas…”” ou “”E se…?”” – a maioria das empresas tem desafios impressionantes, mas raramente os enfrenta porque eles consomem muitos recursos, que, por sua vez, são demandados no curto prazo. A velocidade e as alternativas oferecidas pela computação quântica podem viabilizar as soluções transformadoras para esses problemas. Quais elementos do seu negócio são limitados pela otimização combinatória? E quanto valeria uma solução para você?

Ajude sua organização a se preparar para o quântico – estimamos que o impacto e a escala das aplicações comerciais crescerão rapidamente quando surgirem computadores quânticos totalmente tolerantes a falhas. As organizações têm várias maneiras de se preparar. Empresas com maior chance de aplicações lucrativas — serviços financeiros, farmacêuticas e fabricantes de materiais especiais — podem investir em hardware e software e desenvolver uma rede de especialistas. Outras organizações podem se familiarizar com os fundamentos da computação quântica, conectar-se com acadêmicos e começar a treinar seu pessoal.

Comece a experimentar agora. As empresas já podem alocar uma parte dos recursos de pesquisa e desenvolvimento para experimentar hardware quântico no curto prazo. Elas podem montar os problemas de maneiras que os computadores possam entender, mesmo que as máquinas existentes ainda não permitam o total aproveitamento dessas oportunidades. Esses investimentos são importantes para o desenvolvimento contínuo da tecnologia: a computação quântica não se expandirá apenas por pesquisas acadêmicas.

As startups com as quais trabalhamos no Creative Destruction Lab da Rotman School of Management da Universidade de Toronto, no Canadá, já alcançaram benefícios no curto prazo ao experimentar o quantum – por exemplo, com inovações que levaram a novos materiais. O benefício a longo prazo de experimentar computação quântica hoje é que uma empresa estará preparada quando tais computadores suficientemente preparados e tolerantes a falhas existirem em escala. Essas organizações terão uma vantagem considerável pelo pioneirismo e estarão bem posicionadas para capturar novas oportunidades à medida que essa tecnologia emergente chegar ao mercado.

Um glossário quântico

Os executivos fluentes em tecnologia deverão estar familiarizados com esses termos básicos de computação quântica enquanto monitoram a tecnologia e avaliam possíveis aplicações em seus próprios domínios de negócios:

Qubit: um qubit é uma unidade fundamental de informação quântica, codificada em delicadas propriedades físicas da luz ou da matéria e manipulada para produzir cálculos em um computador quântico. É análogo a um bit em um computador binário.

Computador quântico tolerante a falhas: os computadores quânticos digitais de uso geral serão capazes de lidar com uma ampla gama de problemas com flexibilidade e confiabilidade. Esses computadores tolerantes a falhas têm casos comprovados de vantagem quântica, como o algoritmo de Shor. Mas eles podem estar a muitos anos de uma produção em escala por causa dos complexos protocolos de correção de erros que são necessários para qubits.

Ruidoso: os computadores quânticos de hoje são barulhentos, semelhantes aos rádios AM/FM que existiam muito antes de seus equivalentes digitais serem possíveis, e isso não vai mudar no curto prazo. O ruído quântico é um problema muito mais difícil de resolver nos delicados qubits do que o ruído eletrônico e magnético em bits de computadores convencionais.

Aceleração quântica: speedup é uma maneira de medir o desempenho entre dois computadores que resolvem o mesmo problema. A aceleração quântica é a melhoria que o computador quântico tem em relação a um concorrente clássico na resolução do problema. Há muitas maneiras de definir e caracterizar a aceleração. Uma métrica importante é o número crescente de qubits.

Vantagem quântica: ocorre quando a computação quântica resolve um problema “”impossível””, ou melhor, um problema que um computador clássico não pode resolver dentro de um período de tempo viável ou realista. Os casos mais claros de vantagem quântica são definidos por meio de uma aceleração quântica escalável exponencialmente.

Vantagem econômica quântica: acontece quando a computação quântica resolve um problema economicamente relevante de forma diferente ou significativamente mais rápida do que um computador clássico. A vantagem econômica quântica pode ocorrer em casos em que a aceleração quântica é menor que exponencial — ou seja, quando a escala é quadrática ou polinomial.

Cenário de vantagem econômica quântica

O diagrama abaixo mostra algoritmos e aplicações computacionais classificados por seu potencial de aceleração quântica e seu valor comercial estimado. Grandes acelerações exponenciais até o momento foram demonstradas em aplicações sem valor comercial. Aplicações com uma aceleração quântica moderada, mas alto valor comercial, têm uma boa chance de mostrar vantagem econômica quântica.

Ganhando vantagem quando tempo é dinheiro

Imagine que um cálculo de valor X risco poderia ser concluído em segundos, em vez de horas. Como isso mudaria uma decisão de investimento em tempo real? A vantagem financeira de informar decisões de investimento quase em tempo real é um exemplo perfeito de potencial vantagem econômica quântica em uma aplicação de alto risco.As acelerações quânticas seriam valiosas para uma ampla gama de aplicações no setor financeiro. Os bancos utilizam frequentemente cálculos de risco para estimar a probabilidade e a dimensão de potenciais perdas. Esses cálculos podem envolver uma ferramenta chamada simulação de Monte Carlo para simular um grande número de cenários, com inúmeros fatores para modelar. Monte Carlo “”quântico”” pode ajudar a acelerar esses processos, que de outra forma podem ser demorados. Isso pode ser particularmente importante em tempos de extrema volatilidade do mercado.

A simulação de Monte Carlo também é usada na precificação de derivativos financeiros complexos. Trilhões de dólares em contratos de derivativos são negociados todos os anos para uma variedade de propósitos, incluindo cobertura de risco e lidar com a especulação. A maioria dessas negociações são para contratos simples cujos preços podem ser determinados dinamicamente com fórmulas facilmente calculadas. Mas a precificação de derivativos mais complexos geralmente requer uma simulação que pode levar minutos, horas ou até dias em um computador atual. Uma aceleração quântica permitiria cálculos mais rápidos e abriria novas oportunidades de crescimento em um mercado que já vale bilhões de dólares.

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