Spintrônica e computação quântica – Parte 1

O desenvolvimento da computação das últimas décadas mudou nossas vidas de maneira completamente inédita na história recente da humanidade. A começar pelas telecomunicações que permitem que duas pessoas geograficamente distantes se conectem em tempo real quase instantaneamente, passando pela automação de processos cada vez mais complexos, o mundo hoje é, sem dúvida, irreconhecível sem a computação. Qual é o próximo passo? O que há ainda para se desenvolver? Nesta série de artigos, você conhecerá a maior promessa para o futuro da computação: a computação quântica!

Explicarei primeiramente, brevemente, o que é computação e quais são os processos pelos quais são geradas informações computacionais. Depois disso, também brevemente, discutirei o que é mecânica quântica. Por fim, o que é computação quântica e quais são as principais promessas e dificuldades a serem ainda vencidas.

O que é computação?

Como o nome sugere, computação é uma área do conhecimento ligada às teorias de contagem (computar = contar, calcular). Portanto, o que, essencialmente, um computador faz são contagens. E o que ele conta? – Você deve estar se perguntando – Bem, o que ele conta são só duas coisas, números 1 e 0. Por isso, a linguagem computacional, também é chamada de linguagem binária. Um número binário unitário (0 ou 1) é conhecido como bit.

Antes de avançar, você entendeu que um bit pode ter dois valores? Um bit pode assumir o valor 1 ou 0. Certo? Por exemplo, a “frase” computacional “010110011” tem 9 bits.

Quem “diz” ao computador se o bit tem valor 0 ou 1 é uma peça eletrônica chamada transistor 1 vide figura 1. Ele é um componente eletrônico que permite que a corrente elétrica ora flua num sentido, ora em outro 2. Essa propriedade do transistor é utilizada na computação para gerar o valor de um bit. Algo como quando a corrente elétrica flui no sentido horário o valor do bit é 1, no sentido anti-horário o valor é 0. Por falar em elétrons em transição, é por isso que eletrônica 3 tem esse nome! Legal, né?

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Figura 1: Exemplos de vários tipos de transistores.
Bits, bytes, inputs e outputs

Um conjunto de bits (input) formam as sentenças que são utilizadas para gerar luz no monitor, som nas caixas de som etc (output). Um bloco de 8 bits convencionou-se chamar de byte. 00000000, 01010101 e 11100011 são exemplos de bytes. Então, um byte pode ter 28 valores possíveis, certo?

Dependendo da sua idade, você deve ter jogado muitos jogos em 8 bits ! Um processador 8 bits possui 256 valores possíveis de output, ou seja, 256 cores possíveis em uma tela, 256 sons possíveis em uma caixa de som etc. Por isso, jogos em 8 bits são “limitados” em relação à imagem e som, vide figura 2. Um processador de 16 bits produz “palavras” maiores (com 16 “letras” ou bits ou ainda 2 bytes) do que processadores 8 bits, isso significa mais valores possíveis 4 para o output.

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Figura 2: Comparação gráfica entre um jogo em 8 bits (a esquerda) e um em 32 bits (a direita). Enquanto um processador 8 bits possui 256 valores possíveis para output (256 cores, por exemplo), um de 32 bits possui incríveis 4.294.967.296 valores possíveis (nesse caso da imagem, para cores)!
Velocidade computacional

A velocidade de geração de informação computacional é vinculada a capacidade de um transistor (ou componente substituto) de gerar as correntes elétricas que produzem os bits. Um argumento semelhante pode ser utilizado para entender a velocidade com que um computador processa toda essa informação do input ao output 5. Tudo se resume a construção de transistores, ou equipamento semelhante, capazes de responder mais rapidamente e que sejam menores – isso é importante para aumentar a quantidade de componentes que cabem em uma placa.

No artigo “Fourier: do Youtube ao Netflix”, eu comentei algo sobre a conversão de sinal analógico em sinal digital, e vice-e-versa, lembra? Para exercitar o que você aprendeu hoje, tente relê-lo com essas novas informações para entender melhor porque uma resolução de 32 bit é imensamente mais precisa do que uma de 8 bits, ambas à mesma frequência de atualização! Uma dica:

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Figura 3: Este gráfico representa a conversão de um sinal analógico (em cinza) em digital (em vermelho). As alturas dos retângulos em vermelho são discretas, isto é, só alguns valores são permitidos. O mesmo para a largura. As alturas são determinadas pelo número de valores possíveis (2 elevado ao número de bits), enquanto que as larguras são determinadas pela frequência de atualização.
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  1. O uso dos transistores revolucionou pela primeira vez a computação, na década de 60. Alguns autores acreditam, inclusive, que sem eles a computação, como a conhecemos, jamais aconteceria. Até então se usava tubos de vácuo que eram muito maiores e consumiam muito mais energia que os transistores.
  2. Transistores também são utilizados para retificação, interrupção e amplificação de sinais elétricos.
  3. Eletrônica é a ciência que estuda o comportamento da energia elétrica, cujo agente é o elétron.
  4. Para encontrar quantos valores possíveis de input/output um processador é capaz de encontrar, basta fazer 2x , onde x é o valor de bits. O número 2 na base é justificado por conta dos valores possíveis para 1 bit (0 ou 1).
  5. Esse é um processo que envolve uma série de procedimentos. CPU, memória RAM, barramento de endereço e outros palavrões são usados para entender o processamento computacional. Como não é o foco deste artigo, deixo tudo isso para outra oportunidade, ok?
REFERÊNCIA

De Brito, Alisson Vasconcelos. Introdução a Arquitetura de Computadores. http://producao.virtual.ufpb.br/books/edusantana/old-arq/livro/livro.html Acessado 15 de Agosto de 2017.Hoppensteadt, Frank. Applied physics: A new spin on nanoscale computing. Nature. Julho 2017.

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