Por que a Prova Interativa mudará a pesquisa científica para sempre

Acredite ou não, computadores quânticos poderão verificar literalmente qualquer questão matemática... No futuro. Foto: IBM/Instagram

Pequenos milagres acontecem todos os dias e passam despercebidos por milhões de pessoas por muito tempo. Poderia ser o argumento de um filme, mas é uma descrição que pode ser aplicada à elaboração da Prova Interativa.

Não estamos falando de um milagre literal, mas sim do esforço coordenado dos cinco cientistas da computação Zhengfeng Ji, Anand Natarajan, Thomas Vidick, John Wright e Henry Yuen.

Em 2020, essa equipe de pesquisadores desenvolveu uma prova matemática de nome “MIP* = RE”, que estabelece que computadores quânticos que calculam com qubits emaranhados podem verificar, teoricamente, respostas para um enorme número de problemas. Um qubit é uma unidade de informação quântica, fundamental para o processamento dos super computadores quânticos, que são a vanguarda das pesquisas computacionais atuais.

O fenômeno do emaranhamento foi combinado de maneira original com o problema da parada de Turing num modelo chamado de Prova Interativa, que pode ajudar a resolver problemas super complexos. A seguir, descrevemos brevemente as duas situações e a importância dessa descoberta para a pesquisa científica.

Emaranhamento quântico

A Física quântica desce até o nível das partículas elementares que formam os átomos, e estuda seus fenômenos e comportamentos. A ideia de que, quando duas partículas atingem um emaranhamento quântico, propõe que elas podem interagir instantaneamente através de distâncias enormes.

Esse fenômeno faz com que seja impossível descrever individualmente a movimentação de uma das partículas sem fazer menção à outra, ainda que elas estejam separadas por milhões de anos-luz.

Essa “comunicação” insólita parecia improvável a Albert Einstein (1879 – 1955) que a descreveu como “ação fantasmagórica a distância”. No entanto, a passagem do tempo e o acúmulo de estudos sobre esse tema mostraram que o entrelaçamento quântico não é apenas possível, mas alicerce essencial para tecnologias de computação quântica e criptografia quântica.

O problema da parada de Turing

Em 1836, Alan Turing (1912 – 1954) identificou um problema que computadores nunca seriam capazes de resolver, apelidado de o “problema da parada”.

Computadores geralmente funcionam com base em inserção de dados e devolvem dados processados. No entanto, às vezes eles entram em loops infinitos e travam.

Turing provou que é impossível prever de antemão quando esse tipo de coisa vai acontecer com um dado inserido– esse é o “problema da parada”.

A Prova Interativa e sua importância

Uma Prova Interativa é um método de interrogação lógica que propõe a computação como troca de mensagens entre duas partes – um Provador e um Verificador.

Peguemos um mecanismo que muita gente conhece para fazer uma analogia: uma conexão VPN. A VPN é uma espécie de túnel seguro para navegar pela internet, que é um caminho direto entre um internauta e seu destino digital.

No nosso exemplo, o Verificador é um hacker, que tenta acessar dados simultâneos do internauta e da página que ele quer acessar. O internauta é um Provador e a página de destino é um segundo Provador.

O verificador pode sondar os sistemas do internauta quando ele estiver com o VPN desligado e da página de destino. Mas se a VPN estiver ligada, os dois Provadores poderão trocar informações sem chance de ter a comunicação interceptada de fora.

Essa comunicação a distância da VPN é comparável ao fenômeno do emaranhamento e os Provadores são similares aos qubits. O trabalho dos pesquisadores prova que o modelo da Prova Interativa permite ao Verificador descobrir as informações que os Provedores enviam um ao outro com um bom grau de certeza, mesmo que eles se comuniquem por VPN.

As consequências do nosso exemplo da VPN seriam tristes para a segurança digital, mas a descoberta computacional traz ótimas notícias: ela demonstra que o Verificador (um computador) pode descobrir a verdade de qualquer afirmação matemática que corresponda a um espectro gigantesco de questões.

Em teoria, um supercomputador quântico poderoso poderia verificar perguntas para problemas irresolvíveis, como o já mencionado “problema da parada de Turing”. Além dele, muitas outras questões de ciência computacional, matemática e física poderiam ser revolucionadas pela Prova Interativa.

Conclusão

A prova “MIP* = RE” é um trabalho de teoria da complexidade computacional, que é um ramo da ciência teórica da computação. Ele indica a eficácia do modelo da Prova Interativa como um Norte a ser seguido para a resolução de problemas que hoje parecem insolucionáveis.

Porém, as mais avançadas máquinas quânticas de hoje trabalham com capacidade de processamento de 50 qubits, muito inferior à capacidade atribuída à máquina do problema teórico. Além de um necessário aumento de capacidade, ainda existe também muito chão pela frente para reduzir o ruído computacional dessas máquinas.

Mas não se engane: descobertas matemáticas teóricas de décadas atrás tornaram-se realidades com aplicações práticas revolucionárias hoje, dependendo apenas da inovação de engenharia e computação. Pode levar alguns anos ou décadas para chegarmos às consequências práticas da Prova Interativa, mas ela assinala uma promessa muito real de verificar questões impossíveis.