O que é computação quântica e como funciona?

Gigantes da tecnologia como Google, IBM, Amazon e Microsoft estão investindo recursos na computação quântica. O objetivo da computação quântica é criar a próxima geração de computadores e superar os limites clássicos da computação.

Apesar do progresso, ainda existem áreas desconhecidas neste campo emergente.

Este artigo é uma introdução aos conceitos básicos da computação quântica. Você aprenderá o que é a computação quântica e como ela funciona , bem como o que diferencia um dispositivo quântico de uma máquina padrão.

O que é computação quântica? Definido

A computação quântica é uma nova geração de computadores baseada na mecânica quântica, um ramo da física que estuda partículas atômicas e subatômicas. Esses supercomputadores realizam cálculos em velocidades e níveis que um computador comum não consegue lidar.

Estas são as principais diferenças entre um dispositivo quântico e um desktop comum:

• Arquitetura diferente: Os computadores quânticos têm uma arquitetura diferente dos dispositivos convencionais. Por exemplo, em vez de memórias ou processadores tradicionais baseados em silício, são utilizadas diferentes plataformas de tecnologia, como circuitos supercondutores e íons atômicos presos.
• Casos de uso intensivo de computação: Um usuário casual pode não ter muito uso para um computador quântico. O foco computacional pesado e a complexidade dessas máquinas as tornam adequadas para configurações corporativas e científicas em um futuro próximo.

Ao contrário de um computador padrão, sua contraparte quântica pode realizar várias operações simultaneamente. Essas máquinas também armazenam mais estados por unidade de dados e operam em algoritmos mais eficientes.

O incrível poder de processamento torna os computadores quânticos capazes de resolver tarefas complexas e pesquisar dados não classificados.

Para que serve a computação quântica? Casos de uso do setor

A adoção de computadores mais poderosos beneficia todos os setores. No entanto, algumas áreas já se destacam como excelentes oportunidades para os computadores quânticos deixarem sua marca:

• Saúde: Os computadores quânticos ajudam a desenvolver novos medicamentos em um ritmo mais rápido. A pesquisa de DNA também se beneficia muito do uso da computação quântica.
• Cibersegurança: A programação quântica pode avançar na criptografia de dados. O novo sistema Quantum Key Distribution (QKD), por exemplo, usa sinais de luz para detectar ataques cibernéticos ou invasores de rede.
• Finanças: As empresas podem otimizar seus portfólios de investimentos com computadores quânticos. Melhorias nos sistemas de detecção e simulação de fraudes também são prováveis.
• Transporte: Os computadores quânticos podem levar ao progresso nos sistemas de planejamento de tráfego e na otimização de rotas.

O que são Qubits?

A chave por trás do poder de um computador quântico é sua capacidade de criar e manipular bits quânticos, ou qubits.

Aqui está o estado de um qubit q₀ :

q0 = a|0> + b|1>, where a2 + b2 = 1

A probabilidade de q₀ sendo 0 quando medido é um ² . A probabilidade de ser 1 quando medido é b ² . Devido à natureza probabilística, um qubit pode ser 0 e 1 ao mesmo tempo.

Para um qubit q₀ onde a =1 e b =0, q₀ é equivalente a um bit clássico de 0. Há 100% de chance de chegar a um valor de 0 quando medido. Se a =0 e b =1, então q₀ é equivalente a um bit clássico de 1. Assim, os bits binários clássicos de 0 e 1 são um subconjunto de qubits.

Agora, vamos ver um circuito vazio no IBM Circuit Composer com um único qubit q₀ (Figura 1). O gráfico "Probabilidades de medição" mostra que o q₀ tem 100% de ser medido como 0. O gráfico “Statevector” mostra os valores de aeb, que correspondem às colunas 0 e 1 “estados da base computacional”, respectivamente.

No caso da Figura 1, a é igual a 1 e b a 0. Então, q₀ tem uma probabilidade de 1 ² =1 para ser medido como 0.

Um grupo conectado de qubits fornece mais poder de processamento do que o mesmo número de bits binários. A diferença no processamento se deve a duas propriedades quânticas:superposição e emaranhamento .

Superposição na computação quântica

Quando 0 2 e b ² .

O Hadamard Gate é o portão básico da computação quântica. O Hadamard Gate move o qubit de um estado de não superposição de 0 ou 1 para um estado de superposição. Enquanto em um estado de superposição, há uma probabilidade de 0,5 de ser medido como 0. Há também uma chance de 0,5 de o qubit terminar como 1.

Vejamos o efeito de adicionar o Hadamard Gate (mostrado como um H vermelho) em q₀ onde q₀ está atualmente em um estado de não superposição de 0 (Figura 2). Depois de passar pelo portão Hadamard, o gráfico "Probabilidades de medição" mostra que há 50% de chance de obter 0 ou 1 quando q₀ é medido.

O gráfico “Statevector” mostra o valor de aeb, que são raízes quadradas de 0,5 =0,707. A probabilidade de o qubit ser medido para 0 e 1 é 0,707 ² =0,5, então q₀ está agora em um estado de superposição.

O que são medições?

Quando medimos um qubit em um estado de superposição, o qubit salta para um estado de não superposição. Uma medição altera o qubit e o força a sair da superposição para o estado de 0 ou 1.

Se um qubit estiver em um estado de não superposição de 0 ou 1, medi-lo não mudará nada. Nesse caso, o qubit já está em um estado de 100% sendo 0 ou 1 quando medido.

Vamos adicionar uma operação de medição no circuito (Figura 3). Medimos q₀ após a porta Hadamard e emita o valor da medição para o bit 0 (um bit clássico) em c1:

Para ver os resultados do q₀ medição após o Hadamard Gate, enviamos o circuito para ser executado em um computador quântico real chamado “ibmq_armonk .” Por padrão, existem 1024 execuções do circuito quântico. O resultado (Figura 4) mostra que cerca de 47,4% das vezes, o q₀ medição é 0. Nos outros 52,6% das vezes, é medido como 1:

A segunda execução (Figura 5) produz uma distribuição diferente de 0 e 1, mas ainda próxima da divisão 50/50 esperada:

Emaranhamento na computação quântica

Se dois qubits estão em um estado de emaranhamento, a medição de um qubit instantaneamente “colapsa” o valor do outro. O mesmo efeito acontece mesmo se os dois qubits emaranhados estiverem distantes.

Vamos ver um exemplo. Uma operação quântica que coloca dois qubits desembaraçados em um estado emaranhado é a porta CNOT. Para demonstrar isso, primeiro adicionamos outro qubit q₁ , que é inicializado como 0 por padrão. Antes da porta CNOT, os dois qubits são desembaraçados, então q₀ tem uma chance de 0,5 de ser 0 ou 1 devido ao portão Hadamard, enquanto q₁ será 0. O gráfico "Probabilidades de medição" (Figura 6) mostra que a probabilidade de (q₁ , q₀ ) sendo (0, 0) ou (0, 1) é 50%:

Em seguida, adicionamos a porta CNOT (mostrada como um ponto azul e o sinal de mais) que obtém a saída de q₀ do portão Hadamard e q₁ como entradas. O gráfico "Probabilidades de medição" agora mostra que há 50% de chance de (q₁ , q₀ ) sendo (0, 0) e 50% de sendo (1, 1) quando medido (Figura 7):

Não há chance de obter (0, 1) ou (1, 0). Uma vez que determinamos o valor de um qubit, sabemos o valor do outro porque os dois devem ser iguais. Nesse estado, q₀ e q₁ estão emaranhados.

Vamos executar isso em um computador quântico real e ver o que acontece (Figura 8):

Estamos perto de uma distribuição 50/50 entre os estados '00' e '11'. Também vemos ocorrências inesperadas de '01' e '10' devido às altas taxas de erro do computador quântico. Enquanto as taxas de erro para computadores clássicos são quase inexistentes, altas taxas de erro são o principal desafio da computação quântica.

O circuito da campainha é apenas um ponto de partida

O circuito mostrado na seção ‘Entanglement’ é chamado de Circuito de Sino. Mesmo sendo básico, esse circuito mostra alguns conceitos e propriedades fundamentais da computação quântica, como qubits, superposição, emaranhamento e medições. O Circuito Bell é frequentemente citado como o programa Hello World para computação quântica.

Até agora, você provavelmente tem muitas perguntas, como:

• Como representamos fisicamente o estado de superposição de um qubit?
• Como medimos fisicamente um qubit e por que isso forçaria um qubit em 0 ou 1?
• O que exatamente são |0> e |1> na formulação do qubit?
• Por que fazer um ² e b ² corresponde à chance de um qubit ser medido como 0 e 1?
• Quais são as representações matemáticas das portas Hadamard e CNOT? Por que as portas colocam os qubits em estados de superposição e emaranhamento?
• Podemos explicar o fenômeno do emaranhamento?

Não há atalhos para aprender computação quântica. O campo aborda tópicos complexos que abrangem física, matemática e ciência da computação.

Há uma abundância de bons livros e tutoriais em vídeo que apresentam a tecnologia. Esses recursos normalmente cobrem conceitos de pré-requisitos como álgebra linear, mecânica quântica e computação binária.

Além de livros e tutoriais, você também pode aprender muito com exemplos de código. Soluções para otimização de portfólio financeiro e roteamento de veículos, por exemplo, são ótimos pontos de partida para aprender sobre computação quântica.

O próximo passo na evolução do computador

Os computadores quânticos têm o potencial de superar até mesmo os supercomputadores mais avançados. A computação quântica pode levar a avanços na ciência, medicina, aprendizado de máquina, construção, transporte, finanças e serviços de emergência.

A promessa é aparente, mas a tecnologia ainda está longe de ser aplicável a cenários da vida real. No entanto, novos avanços surgem todos os dias, portanto, espere que a computação quântica cause interrupções significativas nos próximos anos.