4'33'' | Edmundo Monteiro e Ricardo Martinho

Mais do que uma tendência futurista, a computação quântica é hoje um campo em rápido desenvolvimento, com potencial para transformar profundamente a ciência, a indústria e a forma como lidamos com dados. Em entrevista, Edmundo Monteiro, diretor da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) e coordenador da iniciativa Quantum@UC, e Ricardo Martinho, presidente da IBM Portugal, explicam como esta tecnologia pode mudar o mundo e o que falta para que se torne uma realidade do nosso quotidiano.

Como avalia o nível de desenvolvimento e investigação em Computação Quântica em Portugal, tanto na academia quanto em colaboração desta com a indústria?

Edmundo Monteiro (EM) - A área da Computação Quântica, em Portugal, tem tido desenvolvimentos relevantes nos últimos anos, tanto na academia como na colaboração com a indústria. Na Universidade de Coimbra (UC), temos um curso de Computação e Tecnologias Quânticas em parceria com a IBM, que tem como objetivo formar especialistas no desenvolvimento de soluções inovadoras em várias áreas emergentes, como no diagnóstico de doenças e no desenvolvimento de novas moléculas, fármacos e materiais.

Para além da UC, a Universidade de Aveiro oferece também um curso de especialização na área das tecnologias Quânticas, mas mais focado na segurança nas comunicações através do uso de Chaves Quânticas. As Universidades de Lisboa, do Porto e do Minho têm também atividades de formação (sobretudo integradas em disciplinas dos cursos que oferecem) e de investigação na área.

Em termos de investigação, na UC, estamos a estudar novas abordagens computacionais flexíveis que integram Computação Quântica, Computação de Alto Desempenho (HPC) e Inteligência Artificial (IA), em arquiteturas flexíveis que suportem o desenvolvimento de novos algoritmos de otimização que possam ser aplicados em áreas onde existam grandes volumes de dados, na procura de soluções e diagnóstico de problemas, como é o caso da área da saúde. Estas atividades de investigação são transversais à UC, envolvendo vários departamentos da Faculdade de Ciências e Tecnologia da UC (FCTUC) e outras faculdades e institutos como é o caso da Faculdade de Medicina da UC (FMUC) e do Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde (ICNAS), estando em curso o alargamento a outras Faculdades, Centros de Investigação e áreas aplicacionais.

Apesar destes avanços recentes, Portugal necessita claramente de uma estratégia nacional para poder acompanhar e ser competitivo na Europa e a nível Internacional. Esta estratégia deve ser baseada na cooperação entre a academia e o tecido económico. Os desenvolvimentos recentes são relevantes, mas há, claramente, espaço para crescimento e fortalecimento da formação, investigação e inovação na área da Computação Quântica, em Portugal. Antecipando os desenvolvimentos esperados, em Coimbra foi já criada, em 2023, a iniciativa Coimbra Cidade Quantum, envolvendo a UC, a CMC e a IBM, com vista à criação de um ecossistema na área da Computação e Tecnologias Quânticas. Tem havido alguns desenvolvimentos recentes neste processo e várias novidades e parcerias estão em preparação e serão conhecidas em breve.

Quais são os principais desafios científicos e tecnológicos que os investigadores enfrentam atualmente para tornar a Computação Quântica mais acessível e aplicável?

EM - A Computação Quântica está na sua infância e enfrenta desafios científicos significativos para se tornar mais acessível e aplicável. As principais limitações atuais são a escalabilidade dos computadores quânticos (número de qubits disponíveis), a estabilidade dos qubits, a correção de erros na operação dos qubits e as questões de confiabilidade associadas ao funcionamento dos computadores quânticos.

Também existem grandes desafios no desenvolvimento de algoritmos e programas para Computação Quântica que requerem uma abordagem e uma forma de pensar completamente diferentes dos programas e algoritmos para computação clássica. Problemas de grande complexidade que atualmente não são resolúveis por meios computacionais em tempo finito poderão vir a ter soluções rápidas, mas é necessário trabalhar na formulação destes problemas com modelos matemáticos e algoritmos adequados à Computação Quântica.

Paradoxalmente, o aparecimento de soluções de Computação Quântica para resolver problemas de grande complexidade vai pôr em causa a segurança e estabilidade da nossa sociedade que assenta em algoritmos de cifra através de chaves assimétricas (RSA) cuja robustez se acredita que será, a médio prazo, posta em causa pela Computação Quântica, podendo causar o caos nas relações entre os estados e nos sistemas financeiros (toda a informação que hoje consideramos cifrada de forma segura passará a estar acessível). Para dar resposta a este desafio estão em curso atividades de investigação e normalização para encontrar esquemas de encriptação resistentes à Computação Quântica. A UC tem participado neste esforço estando em curso e em preparação projetos nesta área, envolvendo aplicações na área da Internet das Coisas (IoT) e aplicações em constelações de satélites de baixa órbita (LEO) no âmbito de uma parceria internacional envolvendo também o Instituto Pedro Nunes (IPN).

De que forma a Computação Quântica está a ser integrada nos currículos académicos e na formação de novos especialistas nesta área?

EM - Como foi referido anteriormente, a Computação Quântica aparece sobretudo integrada em unidades curriculares de cursos de Física e de Engenharias ou em cursos não conferentes de grau focados no tema, como é o caso do curso de Computação e Tecnologias Quânticas, oferecido pela UC.

A formação conferente de grau (normalmente mestrados) na área já existe em alguns países, estando a UC a preparar oferta formativa nessa área, em associação com outras universidades no espaço europeu.

Que impacto espera que a Computação Quântica tenha em setores estratégicos, como o da Saúde, nos próximos anos?

EM - As expectativas são muito altas! A Computação Quântica vem reduzir drasticamente os tempos de pesquisa e procura de soluções dos algoritmos clássicos, o que tem uma aplicação evidente na área da Saúde em que os grandes volumes e a complexidade dos dados limitam fortemente o espaço de pesquisa e diagnóstico. A Computação Quântica associada à Inteligência Artificial tem um potencial enorme no apoio ao diagnóstico de doenças, no apoio à escolha de tratamentos e na síntese de novas moléculas e fármacos utilizados nesses tratamentos.

Nesta área, a UC participa num projeto internacional que visa a utilização de Computação Quântica e Inteligência Artificial na deteção e prevenção de doenças gastrointestinais, envolvendo vários departamentos da Faculdade de Ciências e Tecnologia, a Faculdade de Medicina e o Centro de Estudos Sociais.

Em que áreas a Computação Quântica já está a ter impacto real na IBM e quais são os casos de uso mais promissores?

Ricardo Martinho (RM) - A IBM está a colaborar com mais de 275 membros da IBM Quantum Network das mais variadas indústrias e disciplinas e estabeleceu cinco grupos de trabalho em áreas em que a computação quântica está a começar a ter impacto e em que acreditamos que uma "vantagem quântica" será possível em breve: física de alta energia, ciência dos materiais, cuidados de saúde e ciências da vida, otimização e sustentabilidade.

Por exemplo, o RIKEN, um instituto nacional de investigação científica no Japão, e a Cleveland Clinic, um centro médico académico líder e uma instituição de investigação biomédica que tem um IBM Quantum System One em escala utilitária, estão a explorar algoritmos para resolver problemas de estrutura eletrónica que são fundamentais para a química. Estas iniciativas representam os primeiros passos em direção a abordagens de supercomputação centradas em computação quântica para modelar realisticamente sistemas químicos e biológicos complexos.

Os investigadores da IBM e do RIKEN realizaram diagonalizações quânticas baseadas em amostras (SQD) em ambientes de supercomputação com enfoque quântico, que fazem uso de hardware quântico para modelar com precisão a estrutura eletrónica de sulfeto de ferro, um composto presente em abundância na natureza e em sistemas orgânicos. E agora como um serviço Qiskit implementável, esta técnica SQD está a ser utilizada pela Cleveland Clinic para explorar como poderia ser implementada em simulações com enfoque quântico em ligações entre moléculas que são essenciais para muitos processos de ciência química, biológica e farmacêutica.

No setor energético, a empresa energética europeia E.ON está a colaborar com a IBM na utilização da computação quântica na otimização da complexidade das redes elétricas. O objetivo é otimizar a distribuição de energia e melhorar a eficiência dos sistemas elétricos, contribuindo para uma gestão mais eficaz dos recursos energéticos.

Um outro exemplo, a empresa de biotecnologia americana Moderna está a trabalhar com a IBM para explorar o uso da computação quântica e da inteligência artificial generativa na ciência do mRNA. Esta colaboração visa acelerar a investigação e o desenvolvimento de terapêuticas baseadas em mRNA, potencialmente revolucionando a abordagem a diversas doenças.

Estes exemplos mostram já o impacto crescente da computação quântica em várias indústrias, com a IBM a desempenhar um papel central na exploração e aplicação desta tecnologia para enfrentar desafios complexos e promover inovações significativas.

Qual o papel de Portugal no ecossistema global da Computação Quântica e como o País pode posicionar-se melhor neste cenário?

RM - Se ainda não o estão a fazer, as instituições portuguesas que queiram liderar deverão explorar a computação quântica para perceber melhor como poderão beneficiar deste tipo de tecnologia e como poderão vir a precisar de aumentar a sua força de trabalho quântica. A IBM tem várias formas de conseguir ajudar, seja pela educação, investigação conjunta, ou outras iniciativas.

Quais são os principais obstáculos que impedem a adoção em larga escala da Computação Quântica no setor empresarial?

RM - Os principais obstáculos que impedem a adoção em larga escala da Computação Quântica no setor empresarial incluem desafios tecnológicos a serem superados, além da curva de aprendizagem que as organizações deverão ultrapassar para perceberem como poderão beneficiar desta tecnologia.

1. Precisão e Escalabilidade

• Apesar dos recentes avanços, os sistemas quânticos ainda têm de superar erros. Em 2023, a IBM e cientistas da Universidade da Califórnia, em Berkeley, alcançaram a "utilidade quântica" – o ponto em que os computadores quânticos podem agora ser ferramentas científicas úteis, capazes de realizar cálculos confiáveis numa escala que vai além dos métodos clássicos de computação por força bruta que fornecem soluções exatas para problemas computacionais.

• Agora, acreditamos que, com o progresso contínuo nas técnicas de mitigação de erros, será possível alcançar a "vantagem quântica" – que irá acontecer quando um computador quântico oferecer um benefício significativo e prático além da força bruta ou dos métodos de computação clássicos aproximados, calculando soluções de uma forma mais barata, mais rápida ou mais precisa do que todas as alternativas clássicas conhecidas – nos próximos dois anos.

• E em linha com o roadmap quântico da IBM, até 2029, seremos capazes de implementar a correção de erros quânticos para computação quântica tolerante a falhas em larga escala, quando os computadores quânticos forem capazes de proporcionar vantagens para uma vasta gama de desafios complexos na indústria.

2. Falta de uma força de trabalho quântica ampla e qualificada

• Além da indústria quântica precisar de conhecimento especializado em mecânica quântica, física, química e teoria da informação, a indústria precisa de mais especialistas nesta área e de profissionais que saibam como programar computadores quânticos, desenvolver algoritmos e aplicar o quantum a problemas complexos da indústria.

• As empresas precisam de investir na formação de equipas para garantir que tiram o máximo partido da tecnologia.

3. Integração com Sistemas Clássicos HPC

• A computação quântica não vem substituir os sistemas clássicos, mas irá funcionar como um acelerador para tarefas específicas e complexas que estão fora do alcance dos computadores clássicos.

• Com esta próxima evolução de computação de alto desempenho, a visão da IBM sobre a sua integração com a computação quântica — ou supercomputação com enfoque no quântico — visa integrar recursos de computação clássica quântica e avançada para executar cargas de trabalho paralelizadas. Este Framework terá como objetivo separar facilmente problemas complexos pelos QPUs, CPUs e GPUs com software de desempenho, permitindo que cada arquitetura resolva partes de um algoritmo para as quais é mais adequada.

4. Contínua Identificação de Casos de Uso Reais

• Apesar de existirem avanços significativos na área financeira, logística, materiais e saúde, e também em outras indústrias, ainda há uma necessidade de definir mais áreas onde o benefício da computação quântica seja também uma realidade.

• Muitas empresas têm interesse, mas não sabem como aplicar a tecnologia aos seus desafios específicos - é por isso que a IBM oferece diversas formas de explorar a computação quântica, desde o acesso aberto a computadores quânticos em escala utilitária, até a oportunidades de investigação conjunta.

A computação quântica não é apenas uma promessa para o futuro, as empresas que começarem a explorar e investir hoje estarão na vanguarda da revolução quântica nos próximos anos, o que torna estas empresas não só competitivas, mas também resilientes e com capacidade de inovação para assegurar não só o seu negócio, mas também o seu valor.

Como vê o futuro da colaboração entre empresas de tecnologia e universidades na aceleração do desenvolvimento e aplicação da Computação Quântica?

RM - A colaboração entre empresas de tecnologia e universidades será um fator crítico na aceleração do desenvolvimento e aplicação da Computação Quântica. Esta colaboração permite unir o conhecimento académico e a inovação tecnológica, garantindo avanços mais rápidos e aplicáveis à realidade.

O futuro da colaboração entre empresas de tecnologia e universidades na computação quântica será marcado por investimento mútuo, desenvolvimento de talento e criação de soluções inovadoras. Esta sinergia será essencial para acelerar a adoção da tecnologia quântica.

por Luísa Carvalho Carreira

fotografias gentilmente cedidas por Edmundo Monteiro e Ricardo Martinho