O futuro dos computadores - Nanocomputadores Quânticos

Um computador quântico usa fenómenos mecânicos quânticos, tais como entrelaçamento e sobreposição, para processar dados. A computação quântica pretende usar as propriedades quânticas das partículas para representar e estruturar dados utilizando a mecânica quântica para entender como realizar operações com esses dados.

As propriedades da mecânica quântica de átomos ou núcleos permitem que essas partículas trabalhem juntas como bits quânticos, ou qubits. Estes qubits trabalham em conjunto para formar o processador e a memória do computador. Os qubits podem interagir uns com os outros, enquanto isolados do ambiente externo, e isso permite-lhes realizar cálculos de forma muito mais rápida que os computadores convencionais. Ao computar simultaneamente muitos números diferentes e, em seguida, cruzar os resultados de modo a obter uma resposta única, um computador quântico pode executar um grande número de operações em paralelo e conseguir ser muito mais poderoso que um computador digital do mesmo tamanho.

Um nanocomputador quântico irá trabalhar armazenando dados na forma de estados quânticos atómicos ou spin. Tecnologia deste tipo já está em desenvolvimento sob a forma do electrão único de memória (SEM-Sigle Electron Memory) e pontos quânticos. Por meio da mecânica quântica, ondas armazenarão o estado de cada componente em nanoescala e as informações serão armazenadas em forma de orientação do spin ou o estado de um átomo. Com a configuração correcta, a interferência construtiva salientará os padrões de ondas que contém a resposta certa, enquanto a interferência destrutiva impedirá qualquer resposta errada.

O estado de energia de um electrão dentro de um átomo, representado pelo nível de energia do electrão, pode, teoricamente, representam um, dois, quatro, oito ou até 16 bits de dados. O principal problema com esta tecnologia é a instabilidade visto que os estados de energia instantânea electrónica são difíceis de prever e ainda mais difíceis de controlar. Um electrão pode facilmente cair para um estado de energia menor, emitindo um fotão e, inversamente, um fotão pode atingir um átomo e levar um dos seus electrões a saltar para um estado energético superior.

Prometo em breve escrever uma série de artigos a explicar os rudimentos da física quântica, ok?

O futuro dos computadores - Nanocomputadores Mecânicos

Pioneiros como Eric Drexler propuseram, já em meados da década de 80, que poderiam ser construídos computadores mecânicos em nanoescala através de manufactura molecular utilizando uma técnica de posicionamento mecânico de átomos ou blocos de construção moleculares, um átomo ou molécula de cada vez, processo este conhecido como "síntese mecânica".

Uma vez montado, o nanocomputador mecânico, além de ser de tamanho extremamente reduzido, operaria como uma versão complexa e programável das calculadoras mecânicas usadas na década de 1940 a 1970, anteriores à introdução das agora vulgares e baratas calculadoras electrónicas de estado sólido.

A concepção teórica de Drexler utilizou barras deslizantes em encaixes, com saliências que interagiriam com o movimento de outras varetas. Era um nanocomputador mecânico que utiliza pequenos componentes móveis para codificar a informação.

Drexler e os seus colaboradores preferiram conceitos que lembram miniaturas dos mecanismos de Charles Babbage do século 19, ou seja, nanocomputadores mecânicos que calculariam através de movimento de varetas em escala molecular e rotação de rodas em escala molecular, girando sobre eixos e rolamentos.

Por esta razão, a tecnologia dos nanocomputadores mecânicos tem provocado polémica e alguns pesquisadores chegaram a considerá-la impraticável. Todos os problemas inerentes ao aparelho de Babbage, de acordo com os pessimistas, são ampliados exponencialmente num nanocomputador mecânico. No entanto, alguns futuristas estão optimistas sobre a tecnologia, e chegam mesmo a propor como evolução deste conceito o surgimento dos nanorobôs que possam operar, ou ser controlados por nanocomputadores mecânicos.

O futuro dos computadores - Nanocomputadores Químicos e Bioquímicos

Nanocomputadores Químicos

Em termos gerais, um computador químico é aquele que processa a informação através do estabelecimento e quebra de ligações químicas e armazena estados lógicos ou informações nas estruturas químicas (ou seja, moleculares) resultantes. Num nanocomputador químico a computação é baseada em reacções químicas (quebra e formação de ligações), as entradas são codificadas na estrutura molecular dos reagentes e os resultados podem ser extraídos da estrutura dos produtos de reacção o que significa que nestes computadores a interacção entre diferentes produtos químicos e suas estruturas são utilizadas para armazenar informações e processos.

Estas operações de computação serão realizadas de forma selectiva entre moléculas utilizando apenas algumas de cada vez em volumes com apenas alguns nanometros de lado e assim, de forma a criar um nanocomputador químico, os engenheiros têm que ser capazes de controlar átomos individuais e moléculas de modo que estes átomos e moléculas possam ser levados a executar cálculos controláveis e tarefas de armazenamento de dados. O desenvolvimento de um verdadeiro nanocomputador químico irá provavelmente seguir em moldes semelhantes aos da engenharia genética.

Nanocomputadores Bioquímicos

Tanto os nanocomputadores químicos como os bioquímicos irão armazenar e processar informações em termos de estruturas químicas e interacções. Os defensores dos computadores baseados em bioquímica apontam como "prova de existência" o facto deles serem já omnipresentes nas actividades comuns dos seres humanos e outros animais multicelulares, com sistema nervoso.

Ou seja, os nanocomputadores bioquímicos já existem na natureza e manifestam-se em todas as coisas vivas. Mas esses sistemas são em grande parte incontroláveis pelo homem o que faz com que a fabricação artificial ou a aplicação desta categoria de computadores bioquímicos naturais pareça ainda muito distante, porque os mecanismos de cérebros dos animais e do sistema nervoso ainda são muito mal entendidos. Não podemos, por exemplo, programar uma árvore para calcular os dígitos de p, ou programar anticorpos para combater uma doença específica (embora a ciência médica tenha chegado perto deste ideal na formulação de vacinas, antibióticos e medicamentos antivirais).

Nanocomputadores ADN

Em 1994, Leonard Adelman deu um passo gigantesco rumo a um tipo diferente de computador químico ou bioquímico artificial quando usou fragmentos de ADN para calcular a solução para um problema complexo da teoria dos grafos.

Usando as ferramentas da bioquímica, Adleman foi capaz de extrair a resposta correcta para o problema da teoria dos grafos de entre os muitos caminhos aleatórios representados por filamentos de ADN . Como um computador com vários processadores, este tipo de computador de ADN é capaz de analisar várias soluções para um problema simultaneamente.

Além disso, os filamentos de ADN utilizados no cálculo (aproximadamente 1017) são muitas ordens de magnitude maiores em número e mais densos do que os processadores dos supercomputadores electrónicos da actualidade. Como resultado do trabalho de Adleman, o nanocomputer químico é o único dos quatro tipos mencionados que já demonstrou capacidade de efectuar um cálculo real.

Estes computadores usam o ADN para armazenar informações e realizar cálculos complexos tirando partido da sua grande capacidade de armazenamento que lhe permite manter a matriz da complexidade dos organismos vivos. A capacidade de armazenamento de um único grama de DNA pode armazenar tanta informação como um trilião de DVDs.