A computação quântica pode ser uma ferramenta inesperada para ajudar a combater as mudanças climáticas

Do design de medicamentos mais rápido e melhor à resolução do problema do caixeiro-viajante na escala das cadeias de suprimentos globais, os computadores quânticos estão aumentando as esperanças de que os problemas mais complexos de hoje, muitos dos quais são impossíveis de resolver com as tecnologias existentes, possam um dia ser resolvidos – em minutos .

Parece natural, portanto, que os especialistas da área voltem cada vez mais sua atenção para se os computadores quânticos podem fornecer soluções para um dos maiores desafios do nosso tempo: a mudança climática.

Ao contrário dos computadores clássicos com os quais estamos mais familiarizados, os computadores quânticos são construídos para alavancar as estranhas leis da física quântica. Os engenheiros ainda estão descobrindo como fazer isso em grande escala, o que significa que os computadores quânticos, por enquanto, são de uso limitado; mas espera-se que, quando um dispositivo completo for construído, ele venha com poder de computação exponencial e seja capaz de resolver rapidamente problemas que, de outra forma, exigiriam quantidades impossíveis de tempo e recursos de computação, mesmo para os supercomputadores mais poderosos.

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Conforme observado pela Q4Climate, uma organização que reúne especialistas na interseção da pesquisa quântica e das ciências climáticas, o campo de pesquisa que se aplica a descobrir como os computadores quânticos podem ajudar a combater as mudanças climáticas atualmente é quase inexistente.

Mas as coisas estão mudando lentamente. Por exemplo, a empresa líder de software quântico Zapata Computing estabeleceu que a tecnologia poderia ter um impacto em vários objetivos traçados pelas Nações Unidas para o desenvolvimento sustentávelvariando de água limpa e saneamento a energia limpa e acessível.

O Q4Climate também elaborou um relatório que discute algumas áreas em que os computadores quânticos podem fazer uma grande diferença.

Há uma ressalva. A computação quântica é uma tecnologia nascente – que ainda não realizou nenhum cálculo útil – e, como tal, qualquer avaliação de suas capacidades futuras deve ser colocada em perspectiva.

“O Q4Climate não está dizendo que a computação quântica resolverá o problema da mudança climática”, disse Alexandre Blais, que faz parte do conselho consultivo do Q4Climate, ao ZDNet. “Tudo o que estamos dizendo é que, como cientistas, precisamos prestar atenção e ver se podemos ajudar. Nesta fase, estamos apenas apontando áreas interessantes de pesquisa e esperando que os especialistas nessas áreas aceitem o desafio.”

Veja a simulação quântica, que consiste em prever o comportamento de um sistema formado por moléculas – um problema particularmente difícil de resolver para um computador clássico, devido aos muitos fatores que podem influenciar a maneira como as moléculas podem interagir umas com as outras.

Muitas empresas estão investigando como a computação quântica pode melhorar a simulação de novos medicamentos ou de materiais de próxima geração. Mas a simulação quântica também pode ajudar a criar baterias mais eficientes, melhores materiais para células solares ou turbinas eólicas, ou mesmo catalisadores mais absorventes para tecnologias de captura de carbono.

Na agricultura, a simulação quântica pode reduzir drasticamente a energia necessária para fabricar fertilizantes, que representam até 2% da energia global.

“Fazer química quântica em um computador quântico continua sendo um desafio, mas foi estudado minuciosamente e sabemos que podemos esperar acelerações quando tivermos um computador quântico”, diz Blais. “Podemos esperar que um computador quântico encontre novas maneiras de criar fertilizantes. Imagine se pudéssemos reduzir o consumo de energia mesmo em uma fração de um por cento, isso seria um ganho enorme em escala global.”

Espera-se também que os computadores quânticos se destaquem em tarefas difíceis de otimização, que o Q4Climate também identificou como uma área de interesse. Problemas de otimização de rede podem levar a economia de energia, por exemplo, enquanto uma melhor gestão dos fluxos de tráfego pode reduzir as emissões de carbono.

A tecnologia também pode otimizar o design de materiais intensivos em carbono. Por exemplo, de acordo com o Boston Consulting Group (BCG), materiais mais leves, mais fortes e com melhor isolamento que requerem menos carbono para produzir poderia reduzir as emissões de edifícios, transporte ou produção de metais como cimento.

Os computadores quânticos, portanto, podem ser uma ferramenta fundamental na concepção de soluções para as mudanças climáticas – mas também podem ser úteis para o meio ambiente, independentemente dessas aplicações promissoras.

Seja usada ou não para cálculos relacionados ao clima, espera-se que a tecnologia gere ganhos fenomenais em velocidade computacional, o que significa que menos recursos serão necessários para executar até mesmo os programas mais complexos.

As cargas de trabalho atualmente executadas em computadores clássicos são notoriamente intensivas em energia e espera-se que consumam mais recursos à medida que crescem. “Quando se trata de IA, um trabalho de treinamento pode consumir a pegada de carbono equivalente a cinco carros ao longo de seu ciclo de vida. Isso é enorme”, disse Tamar Eilam, um membro da IBM que atualmente está pesquisando maneiras de reduzir o impacto da computação em nuvem, ao ZDNet.

A pesquisa mostra que os modelos de aprendizado profundo com pontuação mais alta também são os mais famintos por computação, devido ao seu enorme consumo de dados. Verificou-se que o ciclo de vida de um algoritmo produz o equivalente a 284.000 quilos de dióxido de carbono, o que é efetivamente quase cinco vezes mais do que as emissões de um carro americano médio, incluindo o processo de fabricação.

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Em termos simples, um computador quântico que realiza cálculos mais rapidamente poderia reduzir esses números. “Como leva muito menos tempo para fazer o cálculo, também será muito mais eficiente em termos de energia”, diz Eilam. “Para um determinado cálculo, se você puder resolvê-lo mais rapidamente com um computador quântico, ele entrará na equação de calcular quanta energia você está consumindo”.

É claro que a equação vem com muitos outros fatores: por exemplo, computadores quânticos como os desenvolvidos pelo Google e pela IBM, conhecidos como computadores quânticos supercondutores, têm requisitos rígidos de resfriamento e precisam ser mantidos em temperaturas mais baixas que o espaço sideral.

Mas as primeiras pesquisas neste espaço parecem indicar que o consumo geral de energia dos computadores quânticos será menor do que o dos dispositivos clássicos. O recozimento quântico 2000Q da D-Wave, por exemplo, foi encontrado para consumir quatro ordens de magnitude menos energia do que o supercomputador Summit da IBM, que é um dos dispositivos clássicos mais poderosos do mundo.

Da mesma forma, cientistas do Oak Ridge National Laboratory calcularam que os computadores quânticos o potencial de reduzir o uso de energia em mais de um milhão de quilowatts-hora.

Ainda há muita pesquisa a ser feita antes que esses números possam ser confirmados pelo uso da tecnologia na vida real. À medida que os computadores quânticos aumentam de tamanho, mais parâmetros desempenharão um papel na determinação da pegada ambiental dos dispositivos, desde o consumo de água até o uso de materiais renováveis ​​na fabricação de chips.

Mas mesmo como um cientista que vem de fora da computação quântica, Eilam tem grandes esperanças no potencial que os computadores quânticos possuem para reduzir o impacto ambiental do mundo digital.

“Não sou um especialista em computação quântica, mas estou na área de sustentabilidade e a computação quântica é genuinamente uma solução que estamos investigando”, diz Eilam. “Não devemos apostar em uma tecnologia, mas devemos absolutamente olhar para vários caminhos diferentes e correr alguns riscos ao explorar esses caminhos”.

Nesse caso, o risco mais significativo decorre da linha do tempo: pode levar uma década até que a computação quântica comece a cumprir suas promessas, se é que cumprirá. Isso parece muito longo, dada a urgência do desafio climático.

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Os cientistas quânticos estão cientes disso e poucos defenderiam a ideia de que a computação quântica é a solução definitiva para as mudanças climáticas. Em vez disso, a tecnologia é vista como uma possível ferramenta para ajudar os esforços ambientais a longo prazo.

“Infelizmente, a mudança climática é um problema de longo prazo”, diz Blais. “Se agirmos agora, ainda teremos que prestar atenção a esse problema em 10, 20, 40 anos. Esses são os prazos que estamos olhando.”

O foco imediato, portanto, é aumentar os esforços para construir computadores quânticos de larga escala que possam executar algoritmos úteis – uma meta na qual governos e empresas estão investindo pesadamente e onde não faltam atividades.

A próxima etapa, no entanto, e possivelmente a mais difícil, será incentivar grupos de pesquisa quântica a aplicar seus esforços em casos de uso com foco no clima para computadores quânticos. O potencial existe e os resultados podem mudar o jogo. Torná-los uma realidade, no entanto, pode ser mais fácil falar do que fazer.