Teoria da informação reinventa-se para computação quântica

Com informações da Agência Fapesp - 03/02/2015

Pesquisadores e estudantes de 70 universidades em 25 países participaram da SPCoding School, na Unicamp
[Imagem: D.Freire/Ag. Fapesp]

Teoria da informação quântica

A perspectiva dos computadores quânticos, com capacidade de processamento muito superior aos atuais, tem levado ao aprimoramento de uma das áreas mais versáteis da ciência, com aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento: a teoria da informação.

Por conta dos fenômenos quânticos que exploram e nos quais se baseiam, esses computadores futurísticos poderão realizar simultaneamente uma quantidade muito maior de cálculos - ainda que isso exija antes que se desenvolvam técnicas para programar os computadores quânticos.

"Esse entendimento quântico da informação atribui toda uma complexidade à sua codificação. Mas, ao mesmo tempo em que análises complexas, que levariam décadas, séculos ou até milhares de anos para serem feitas em computadores comuns, poderiam ser executadas em minutos por computadores quânticos, também essa tecnologia ameaçaria o sigilo de informações que não foram devidamente protegidas contra esse tipo de novidade," contextualiza a professora Sueli Irene Rodrigues Costa, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

Criptografia pós-quântica

A maior ameaça dos computadores quânticos à criptografia atual está na sua capacidade de quebrar os códigos usados na proteção de informações importantes, como as de cartões de crédito. Para evitar esse tipo de risco é preciso desenvolver também novos sistemas criptográficos visando a segurança vista da capacidade da computação quântica.

"A teoria da informação e a codificação precisam estar um passo à frente do uso comercial da computação quântica," disse Sueli, uma das coordenadoras de um evento internacional na Unicamp que reuniu pesquisadores e estudantes de 70 universidades e 25 países para discutir o assunto.

"Trata-se de uma criptografia pós-quântica. Como já foi demonstrado no final dos anos 1990, os procedimentos criptográficos atuais não sobreviverão aos computadores quânticos por não serem tão seguros. E essa urgência pelo desenvolvimento de soluções preparadas para a capacidade da computação quântica também impulsiona a teoria da informação a avançar cada vez mais em diversas direções", disse Sueli.

Algumas dessas soluções foram tratadas ao longo do evento de 11 dias, muitas delas visando sistemas mais eficientes para a aplicação na computação clássica, como o uso de códigos corretores de erros e de reticulados para criptografia. Para Sueli, a escalada da teoria da informação em paralelo ao desenvolvimento da computação quântica provocará revoluções em várias áreas do conhecimento.

"A exemplo das múltiplas aplicações da teoria da informação na atualidade, a codificação quântica também elevaria diversas áreas da ciência a novos patamares por possibilitar simulações computacionais ainda mais precisas do mundo físico, lidando com uma quantidade exponencialmente maior de variáveis em comparação aos computadores clássicos", disse Sueli.

• Ciência da Computação Quântica começa a tomar forma

A teoria da informação envolve a quantificação da informação e envolve áreas como matemática, engenharia elétrica e ciência da computação. Teve como pioneiro o norte-americano Claude Shannon (1916-2001), que foi o primeiro a considerar a comunicação como um problema matemático.

Avanços recentes mostraram que a matemática pode revolucionar a tecnologia das baterias de lítio e ajudar a tornar a internet até 10 vezes mais rápida.
[Imagem: Scott Moura/UC San Diego]

Algoritmos para transmissão de dados

Enquanto se prepara para os computadores quânticos, a teoria da informação promove grandes modificações na codificação e na transmissão de informações. Amin Shokrollahi, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, apresentou novas técnicas de codificação para resolver problemas como ruídos na informação e consumo elevado de energia no processamento de dados, inclusive na comunicação chip a chip no interior dos aparelhos.

Shokrollahi é conhecido na área por ter inventado os códigos Raptor e coinventado os códigos Tornado, utilizados em padrões de transmissão móveis de informação, com implementações em sistemas sem fio, satélites e no método de transmissão de sinais televisivos IPTV, que usa o protocolo de internet (IP, na sigla em inglês) para transmitir conteúdo.

"O crescimento do volume de dados digitais e a necessidade de uma comunicação cada vez mais rápida aumentam a susceptibilidade a vários tipos de ruído e o consumo de energia. É preciso buscar novas soluções nesse cenário", disse.

Shokrollahi também apresentou inovações desenvolvidas na empresa suíça Kandou Bus, da qual é diretor de pesquisa. "Utilizamos algoritmos especiais para codificar os sinais, que são todos transferidos simultaneamente até que um decodificador recupere os sinais originais. Tudo isso é feito evitando que fios vizinhos interfiram entre si, gerando um nível de ruído significativamente menor. Os sistemas também reduzem o tamanho dos chips, aumentam a velocidade de transmissão e diminuem o consumo de energia", explicou.

De acordo com Sueli, soluções semelhantes também estão sendo desenvolvidas em diversas tecnologias largamente utilizadas pela sociedade.

"Os celulares, por exemplo, tiveram um grande aumento de capacidade de processamento e em versatilidade, mas uma das queixas mais frequentes entre os usuários é de que a bateria não dura. Uma das estratégias é descobrir meios de codificar de maneira mais eficiente para economizar energia," disse.

Novas perspectivas para armazenamento e transmissão de dados são necessárias com o surgimentos dos primeiros computadores quânticos.
[Imagem: courtesy of D-Wave Systems Inc.]

Aplicações biológicas da teoria da informação

Não são só problemas de natureza tecnológica que podem ser abordados ou solucionados por meio da teoria da informação. Professor na Universidade Cidade de Nova Iorque, nos Estados Unidos, Vinay Vaishampayan tratou de diversas aplicações dos códigos na sociedade - entre elas, as aplicações biológicas.

"Não existe apenas uma teoria da informação, e suas abordagens, entre computacionais e probabilísticas, podem ser aplicadas a praticamente todas as áreas do conhecimento", disse ele.

Vaishampayan destacou a Biologia como área de grande potencial nesse cenário. "A neurociência apresenta questionamentos importantes que podem ser respondidos com a ajuda da teoria da informação. Ainda não sabemos em profundidade como os neurônios se comunicam entre si, como o cérebro funciona em sua plenitude e as redes neurais são um campo de estudo muito rico também do ponto de vista matemático, assim como a Biologia Molecular", disse.

Isso porque, de acordo com Max Costa, professor da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp, os seres vivos também são feitos de informação: "Somos codificados por meio do DNA das nossas células. Descobrir o segredo desse código, o mecanismo que há por trás dos mapeamentos que são feitos e registrados nesse contexto, é um problema de enorme interesse para a compreensão mais profunda do processo da vida."

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