QUANTUM COMPUTING: ADVANCES IN HARDWARE AND ALGORITHMS AND THEIR IMPLICATIONS FOR INFORMATION PROCESSING
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cl10202507211738
Hermenegildo Woropo Albino Paiva1
Resumo
A computação quântica tem se destacado como uma das mais promissoras fronteiras tecnológicas da atualidade, ao propor um novo paradigma para o processamento de informações com base nos princípios da mecânica quântica. O presente trabalho analisou os avanços recentes em hardware e algoritmos quânticos, com ênfase nos seus potenciais transformações em áreas como criptografia, otimização e resolução de problemas complexos. Para tanto, foi realizada uma revisão de literatura com base em artigos científicos publicados entre os anos de 2020 e 2025, obtidos em bases como SciELO, IEEE Xplore, Scopus, Google Scholar e o Portal de Periódicos da CAPES, utilizando descritores combinados com operadores booleanos. Os resultados evidenciaram progressos significativos no desenvolvimento de dispositivos quânticos, como os baseados em íons aprisionados e circuitos supercondutores, bem como no uso de plataformas como o Qiskit para a implementação de algoritmos como os de Grover e Shor. As aplicações analisadas demonstraram o potencial de impacto da computação quântica em setores estratégicos, a exemplo da agricultura digital, da segurança da informação e da química computacional. Embora ainda em processo de consolidação, a computação quântica avança em direção a uma etapa de aplicabilidade prática, com implicações técnicas, econômicas e científicas que exigem preparação interdisciplinar e contínuo investimento em pesquisa e formação especializada.
Palavras-chave: Criptografia. Visualização de dados. Simulação molecular.
1. INTRODUÇÃO
A computação quântica configura-se como uma das inovações mais impactantes no campo das ciências computacionais, ao propor uma ruptura com os paradigmas clássicos do processamento de informações. Fundamentada nos princípios da mecânica quântica, como a superposição, o entrelaçamento e a interferência, essa abordagem permite a realização de operações simultâneas e não determinísticas, diferindo radicalmente dos modelos binários tradicionais. A utilização de qubits como unidades fundamentais viabiliza um crescimento exponencial na capacidade de cálculo, resultando em potenciais aplicações em áreas como simulação de sistemas físicos, otimização matemática, criptografia e aprendizado de máquina (Da Silva Araújo et al., 2025). Diante desse novo panorama, torna-se indispensável compreender os fundamentos físicos e computacionais que sustentam essa tecnologia emergente.
A evolução dos dispositivos quânticos, como os processadores baseados em íons aprisionados e em circuitos supercondutores, tem sido impulsionada por centros de pesquisa e empresas de tecnologia que buscam ampliar a escalabilidade e a estabilidade dos sistemas (Fernandes et al., 2022). Esses avanços permitiram não apenas a construção de protótipos com dezenas de qubits, mas também a implementação prática de algoritmos antes restritos ao domínio teórico. O Qiskit, plataforma de desenvolvimento open source da IBM, tem sido amplamente empregado tanto em pesquisas quanto no ensino de algoritmos quânticos, como o de Grover e o de Shor, oferecendo uma interface acessível para a simulação de circuitos em ambientes controlados (Alves; Felipe, 2022). Com isso, ampliam-se os horizontes científicos e pedagógicos em torno da computação quântica.
Diversas áreas têm sido impactadas pelas possibilidades abertas com o avanço dos algoritmos e do hardware quântico. Na criptografia, por exemplo, o algoritmo de Shor representa uma ameaça aos sistemas clássicos de segurança, ao permitir a fatoração eficiente de grandes números inteiros, o que compromete estruturas baseadas em RSA (Souza; Vazquez, 2024). No campo da otimização, algoritmos inspirados em processos quânticos têm mostrado desempenho superior em problemas combinatórios de alta complexidade. Setores como a agricultura digital, a logística e a química computacional vêm adotando abordagens quânticas para aprimorar processos, como demonstrado por estudos aplicados ao mapeamento genético, rotas comerciais e simulações moleculares (Souza et al., 2024; Porto et al., 2025). O aprofundamento dessas investigações revela um movimento de convergência interdisciplinar, no qual o domínio quântico ocupa papel de destaque.
A presente pesquisa é orientada pela seguinte questão-problema: de que maneira os avanços em hardware e algoritmos de computação quântica têm potencial para transformar o processamento de informações em domínios como criptografia, otimização e resolução de problemas complexos?
A relevância deste estudo reside na necessidade de compreender as transformações tecnológicas decorrentes da introdução da computação quântica, que tende a redefinir práticas consolidadas em diversas áreas do conhecimento. Ao investigar os progressos mais recentes em termos de dispositivos físicos e algoritmos específicos, a pesquisa contribui para o debate científico ao oferecer uma análise atualizada sobre as implicações e as oportunidades desse novo paradigma computacional. Tal compreensão é fundamental para a formação de políticas públicas, estratégias educacionais e investimentos em inovação tecnológica, considerando o potencial de impacto global da computação quântica.
O objetivo deste trabalho consiste em analisar os avanços recentes em hardware e algoritmos de computação quântica, bem como suas possíveis transformações no processamento de informações, com ênfase nos efeitos sobre a criptografia, os métodos de otimização e a resolução de problemas considerados complexos no contexto da computação clássica.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Fundamentos da Computação Quântica
A computação quântica tem como base princípios da mecânica quântica, como superposição, interferência e entrelaçamento, os quais permitem o processamento paralelo de informações por meio de qubits. Monteiro et al. (2023) destacam a distinção entre as portas lógicas clássicas e quânticas, salientando que as últimas operam com estados probabilísticos e reversíveis, ampliando exponencialmente a capacidade de execução de operações complexas. Os qubits, ao estarem simultaneamente em múltiplos estados, permitem que algoritmos sejam executados com uma eficiência superior à da computação binária tradicional.
A estrutura e o comportamento das portas lógicas quânticas constituem um ponto central na arquitetura dos circuitos quânticos. Barbosa e Freitas (2023), ao analisarem a implementação da caminhada quântica no processador IBM Q Experience, demonstram como tais portas são organizadas para executar sequências lógicas baseadas em fenômenos quânticos. Essa abordagem evidencia a forma como conceitos físicos complexos são traduzidos em operações computacionais, o que marca uma ruptura com os modelos deterministas da computação clássica.
A mecânica quântica aplicada à informação propõe uma lógica não clássica, onde a não comutatividade e a coerência entre estados interferem diretamente na computação. Segundo Miano, Rusinelli e Souza (2024), o domínio da computação quântica exige capacitação técnica especializada, uma vez que envolve matemática avançada, física teórica e linguagens de programação específicas. O domínio conceitual e instrumental dessas áreas é indispensável para a consolidação do campo, tanto em ambientes acadêmicos quanto industriais.
Frare, Araujo e Veit (2024), em sua revisão sistemática sobre o ensino da computação quântica, argumentam que a complexidade conceitual do tema exige metodologias didáticas que unam abstração teórica com prática simulada. Os autores indicam que o desenvolvimento de competências em computação quântica passa pela integração entre disciplinas, como álgebra linear, teoria da informação e programação quântica. Essa perspectiva reforça a importância de práticas pedagógicas interdisciplinares para a formação de profissionais aptos a operar tecnologias quânticas emergentes.
Galvão, Rosa e Cruz (2024) discutem os desafios da inserção da computação quântica no ensino médio, ressaltando que, apesar da alta complexidade do tema, há potencial didático para sua abordagem introdutória em currículos escolares. A familiarização precoce com conceitos como entrelaçamento e lógica quântica pode favorecer a formação de uma base conceitual sólida em futuras gerações de pesquisadores. O artigo reforça a necessidade de materiais didáticos adaptados e políticas educacionais que favoreçam a popularização da ciência quântica.
Miano, Rusinelli e Souza (2024) também abordam as dificuldades estruturais das instituições de ensino para incorporar conteúdo sobre computação quântica em seus currículos. Segundo os autores, há um déficit de recursos humanos e materiais, o que limita o acesso de estudantes e docentes à experimentação com simuladores e linguagens de programação específicas, como Qiskit. A formação de profissionais capacitados dependerá diretamente do investimento em infraestrutura, qualificação docente e estratégias curriculares integradas.
2.2 Avanços em Hardware Quântico
O desenvolvimento de hardware quântico constitui uma das principais frentes de pesquisa no campo da computação quântica. Fernandes et al. (2022) analisam o uso de íons aprisionados como arquitetura promissora para a construção de processadores quânticos, destacando a elevada coerência e precisão desses sistemas. Essa tecnologia permite o controle individual de qubits, com baixo índice de erros e alta fidelidade, fatores essenciais para a escalabilidade dos dispositivos.
Souza et al. (2024) apresentam uma análise sobre o impacto da computação quântica na agricultura digital, ressaltando que a confiabilidade do hardware é um pré-requisito para sua aplicação prática em contextos de análise de grandes volumes de dados. A eficiência na manipulação de dados meteorológicos, genômicos e logísticos depende da estabilidade e do tempo de coerência dos qubits, o que ainda representa um desafio significativo para os pesquisadores da área.
Barbosa e Freitas (2023), ao estudarem o processador IBM Q Experience, evidenciam as limitações operacionais dos dispositivos atuais, como a necessidade de resfriamento criogênico e a sensibilidade ao ruído externo. Apesar dos avanços, esses fatores dificultam a transição dos processadores quânticos experimentais para modelos comerciais robustos. Ainda assim, os resultados obtidos com o IBM Q demonstram o potencial transformador dessa tecnologia.
Miano, Rusinelli e Souza (2024) alertam para a lacuna entre o desenvolvimento teórico e a implementação prática dos dispositivos quânticos, destacando que a infraestrutura física necessária para suportar circuitos quânticos é altamente especializada. A fabricação de chips supercondutores, o isolamento de sistemas e a manutenção da coerência quântica ainda demandam soluções técnicas sofisticadas, o que limita a produção em larga escala.
Souza e Vazquez (2024), ao tratarem da segurança da informação nos circuitos quânticos da plataforma IBM-Q, evidenciam que o hardware quântico também precisa incorporar camadas de proteção contra manipulações externas. A segurança física dos dispositivos deve ser acompanhada de arquiteturas que assegurem a integridade dos dados processados em ambiente quântico, dado o potencial uso desses sistemas em aplicações sensíveis.
Monteiro et al. (2023) contribuem com uma análise comparativa entre portas lógicas clássicas e quânticas, apontando que o funcionamento eficiente do hardware quântico depende de novos protocolos lógicos e arquiteturas não convencionais. As limitações da eletrônica clássica exigem soluções alternativas para suportar os princípios da computação quântica, o que reforça a interdependência entre avanços teóricos e desenvolvimentos materiais.
3. METODOLOGIA
A metodologia adotada fundamentou-se na realização de uma revisão de literatura de caráter exploratório, descritivo e qualitativo, com o objetivo de reunir, analisar e sintetizar as contribuições científicas mais relevantes sobre os avanços em hardware e algoritmos de computação quântica e suas implicações no processamento de informações. A pesquisa foi conduzida com base em critérios de sistematização que garantissem a consistência e a atualidade das fontes, priorizando a seleção de trabalhos publicados entre os anos de 2020 e 2025. O recorte temporal foi definido considerando o crescimento acelerado do campo da computação quântica no período, com o surgimento de novas arquiteturas experimentais, avanços em plataformas de simulação e intensificação de aplicações interdisciplinares.
As fontes de dados utilizadas incluíram as bases SciELO, IEEE Xplore, Scopus, Google Scholar e o Portal de Periódicos da CAPES, selecionadas por seu reconhecimento e abrangência na área das ciências exatas e tecnológicas. A coleta de informações ocorreu por meio da aplicação de descritores combinados com operadores booleanos, tais como “computação quântica” AND “hardware quântico”, “algoritmos quânticos” AND “Qiskit”, “criptografia quântica”, “otimização quântica”, “educação em física quântica”, “segurança da informação quântica” e “aplicações quânticas na agricultura”. A busca orientada por termos específicos permitiu o levantamento de uma amostra bibliográfica diversificada, composta por artigos científicos, comunicações em anais de eventos, revisões sistemáticas e relatórios técnicos com aderência temática ao objetivo da pesquisa.
Foram adotados critérios de inclusão que abrangeram publicações com abordagem teórica, experimental ou aplicada, redigidas em português, inglês ou espanhol, e com acesso ao texto completo. Apenas documentos que apresentavam resultados consistentes e metodologias transparentes foram considerados. Como critérios de exclusão, desconsideraram-se materiais de natureza opinativa, publicações sem revisão por pares, documentos com conteúdo redundante e artigos cuja abordagem se distanciava dos eixos centrais da pesquisa, como aqueles focados exclusivamente em fundamentos filosóficos da mecânica quântica ou aplicações quânticas em áreas não relacionadas ao processamento de informações. A filtragem permitiu a construção de um corpus bibliográfico coerente, voltado para a análise crítica e fundamentada do tema.
O tratamento do material selecionado consistiu na leitura exploratória, seguida de leitura analítica e categorização dos conteúdos em eixos temáticos: desenvolvimento de hardware, algoritmos e aplicações. As informações extraídas foram organizadas de modo a permitir a identificação de tendências tecnológicas, lacunas de pesquisa e perspectivas futuras. A revisão de literatura estruturada possibilitou não apenas o mapeamento do estado atual do conhecimento, como também a sustentação teórica necessária para discutir o impacto da computação quântica no processamento de informações em setores estratégicos. Esse procedimento metodológico garantiu rigor científico e contribuiu para a validade dos resultados apresentados ao longo do trabalho.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A criação de algoritmos específicos para ambientes quânticos têm representado um dos eixos mais dinâmicos da pesquisa na área. Alves e Felipe (2022) apresentam o Qiskit como uma plataforma de simulação e programação que permite o desenvolvimento e a execução de algoritmos quânticos em ambientes controlados. Essa ferramenta tem sido amplamente utilizada em iniciativas educacionais e experimentos científicos, promovendo a disseminação de técnicas de programação quântica.
Jesus et al. (2021) reforçam a importância do Qiskit para o ensino de computação quântica na graduação, permitindo a visualização de circuitos e a execução de algoritmos clássicos adaptados ao ambiente quântico. Os autores destacam que o acesso a simuladores contribui para a aprendizagem prática, sendo um facilitador no processo de compreensão das lógicas envolvidas na operação de qubits.
Porto et al. (2025), ao analisarem o uso da computação quântica em química, demonstram como algoritmos específicos permitem simular o comportamento de moléculas complexas com maior precisão do que os métodos clássicos. A aplicação do algoritmo de variational eigensolver em simulações moleculares revela a capacidade de representar interações energéticas com elevada acurácia, o que pode revolucionar o desenvolvimento de novos materiais e medicamentos.
Souza e Vazquez (2024) discutem o impacto dos algoritmos quânticos na segurança da informação, com destaque para o algoritmo de Shor. A possibilidade de fatorar números inteiros grandes de forma eficiente coloca em risco os sistemas criptográficos atuais, forçando o desenvolvimento de algoritmos pós-quânticos. Esse cenário representa uma transformação profunda nos paradigmas de segurança digital contemporânea.
Barbosa e Freitas (2023) mostram que algoritmos baseados em caminhada quântica podem ser utilizados para resolver problemas de busca e decisão com complexidade reduzida. Esses algoritmos exploram a distribuição probabilística de estados em grafos, o que permite encontrar soluções com maior eficiência. A implementação desses modelos em processadores reais ainda é limitada, mas os experimentos indicam caminhos promissores.
Fialho e Sérgio (2025) abordam a convergência entre computação quântica e visualização de dados, demonstrando que algoritmos quânticos podem ser aplicados para gerar representações visuais mais rápidas e precisas. A simulação de grandes conjuntos de dados com algoritmos baseados em superposição e interferência pode transformar metodologias de análise e representação gráfica, especialmente em áreas que demandam respostas em tempo real.
A computação quântica apresenta grande potencial de aplicação em setores estratégicos da economia e da ciência. Souza et al. (2024) analisam os impactos na agricultura digital, especialmente no que tange à análise de dados meteorológicos, genômicos e logísticos. A capacidade de processar grandes volumes de dados em tempo reduzido pode otimizar decisões relacionadas à produtividade, sustentabilidade e distribuição de recursos.
Porto et al. (2025) exploram o uso de algoritmos quânticos em simulações químicas, destacando sua aplicação no desenvolvimento de novos fármacos e materiais. A possibilidade de simular ligações químicas em nível quântico permite prever propriedades moleculares com maior precisão, economizando recursos experimentais e acelerando ciclos de pesquisa e desenvolvimento.
Souza e Vazquez (2024) reforçam que a computação quântica representa um ponto de inflexão na segurança da informação. Com o avanço do algoritmo de Shor, sistemas criptográficos amplamente utilizados poderão ser quebrados com relativa facilidade, exigindo a criação de protocolos resistentes a ataques quânticos. Isso mobiliza esforços governamentais e institucionais na busca por soluções seguras.
5. CONCLUSÃO
A computação quântica configura-se como uma tecnologia emergente com potencial de provocar profundas mudanças nos sistemas de processamento de informações. Seu diferencial reside na manipulação de qubits e nos princípios da mecânica quântica, que possibilitam a execução simultânea de múltiplas operações, oferecendo um desempenho superior à computação clássica em tarefas específicas. Ao longo da presente pesquisa, foram analisados os fundamentos teóricos, os avanços em hardware, o desenvolvimento de algoritmos e as aplicações práticas que vêm sendo exploradas em diferentes campos do conhecimento.
A revisão da literatura demonstrou que os progressos em dispositivos físicos, como os baseados em íons aprisionados e circuitos supercondutores, têm contribuído significativamente para a consolidação da infraestrutura necessária à computação quântica. Apesar dos desafios técnicos ainda presentes, como a coerência dos qubits e a correção de erros, os experimentos realizados em plataformas reais e simuladas indicam que essa tecnologia está em transição do campo experimental para aplicações práticas, especialmente em contextos que exigem alto desempenho computacional.
O desenvolvimento de algoritmos específicos e a utilização de ambientes de simulação como o Qiskit revelam uma crescente maturidade no domínio dos recursos computacionais quânticos. A capacidade de simular sistemas físicos, otimizar funções complexas e desafiar os atuais modelos de segurança da informação demonstram que a computação quântica não é apenas uma evolução tecnológica, mas um novo paradigma com implicações amplas para a ciência e a sociedade. A formação de recursos humanos capacitados e o investimento contínuo em pesquisa são fatores essenciais para a continuidade desse avanço.
As aplicações identificadas em setores como criptografia, química, agricultura digital, logística e visualização de dados indicam que a computação quântica não se limita ao meio acadêmico, mas começa a se inserir de forma estratégica em setores produtivos. A interdisciplinaridade que caracteriza essa área exige colaboração entre físicos, engenheiros, matemáticos e cientistas da computação, além de políticas públicas que incentivem a pesquisa e o desenvolvimento tecnológico nacional e internacionalmente.
Considerando os elementos discutidos, conclui-se que a computação quântica tem potencial para transformar radicalmente a forma como problemas complexos são abordados e resolvidos. Embora ainda esteja em estágio de desenvolvimento, sua trajetória aponta para um cenário de consolidação nos próximos anos. A compreensão de seus fundamentos, limitações e possibilidades é indispensável para que instituições, pesquisadores e profissionais estejam preparados para lidar com os impactos dessa transformação tecnológica. O aprofundamento dos estudos e a ampliação do acesso a ferramentas e formação qualificada são caminhos indispensáveis para a inserção plena na era da computação quântica.
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1Discente do Mestrado em Ciências da Computação da Universidade Federal de Lavras e-mail: Hermenegildo.paiva@estudante.ufla.br