22 Fatos mais interessantes sobre computadores quânticos | Edição 2021

Os computadores quânticos não devem verificar seus e-mails, atualizar o status ou fazer tarefas normais de software / hardware. Em vez disso, eles são baseados em algo mais complicado - Mecânica Quântica.

O computador quântico lida com partículas muito menores do que o tamanho dos átomos. Em tais escalas menores, as regras da física não fazem nenhum sentido. É aqui que coisas emocionantes começam a acontecer. As partículas podem se mover para frente e para trás ou podem até existir simultaneamente. Esses tipos de computadores podem aumentar o poder computacional além do que é alcançável pelos computadores convencionais de hoje.

Vamos elaborar o que sabemos sobre computação quântica no momento. Reunimos alguns dos fatos interessantes sobre computadores quânticos que vão dobrar sua mente.

1. Padrão de armazenamento de informações

Os computadores que usamos hoje armazenam dados em formato binário - uma série de 0's e 1 ′. Cada componente da memória é chamado de bit e pode ser manipulado por meio de etapas da lógica booleana.

Por outro lado, um computador quântico armazenaria dados como um '0', '1' ou uma superposição quântica dos dois estados. Esse bit quântico (também conhecido como Qubits) tem uma flexibilidade muito maior em comparação com um sistema binário.

Qubits poderia ser implementado usando partículas com dois estados de spin - “para cima” e “para baixo“. Esse sistema poderia ser mapeado em um sistema spin-1/2 eficaz.

2. Velocidade incrível

Uma vez que os dados em computadores quânticos podem existir em mais do que apenas estados de 0 e 1, eles podem realizar cálculos em paralelo. Vamos considerar um exemplo simples; se o qubit está em uma superposição de estado 0 e estado 1, e realiza um cálculo com outro qubit em uma sobreposição semelhante, ele deixaria quatro resultados - 0/1, 0/0, 1/0 e 1/1.

O computador quântico mostrará o resultado acima quando estiver em um estado de decoerência, que dura (enquanto está em uma superposição de estados) até entrar em colapso para um estado. A capacidade de realizar várias tarefas simultaneamente é conhecida como paralelismo quântico.

3. Segurança redefinida

A velocidade dos computadores quânticos também é uma grande preocupação no campo da criptografia e criptografia. Os sistemas de segurança financeira do mundo de hoje são baseados na fatoração de grandes números (algoritmos RSA ou DSA) que literalmente não podem ser quebrados por computadores convencionais durante a vida útil da Terra. No entanto, um computador quântico poderia fatorar os números em um período razoável.

Por outro lado, os computadores quânticos serão capazes de fornecer recursos de segurança inquebráveis. Eles podem bloquear dados cruciais (como transações online, contas de e-mail) com criptografias muito melhores.
Muitos algoritmos foram desenvolvidos para computadores quânticos - os mais conhecidos são o algoritmo de Grover (para pesquisar um banco de dados não estruturado) e o algoritmo de Shor (para fatoração de grandes números).

Leia:Um novo método para aumentar o desempenho do computador Quantum

4. Eficiente em energia

O consumo de energia é o fator crítico de qualquer dispositivo que funciona com eletricidade. Uma grande variedade de processadores precisa de uma grande quantidade de fonte de alimentação para manter seu desempenho. O supercomputador mais rápido do mundo (Summit), por exemplo, consome 13 MW de potência.

No entanto, as coisas ficam realmente interessantes com os computadores quânticos. Como eles usam tunelamento quântico, eles reduzirão o consumo de energia por um fator de 100 a 1000.

5. As realidades alternativas

De acordo com a física quântica, lidamos com algo chamado Multiverso, onde um problema pode ter muitas ou infinitas soluções prováveis. Por exemplo, você pode estar lendo este artigo em seu laptop. Em outro universo, você pode estar lendo isso no celular enquanto viaja.

Um computador quântico pode realizar ‘n’ tarefas em ‘n’ universos paralelos e chegar ao resultado. Se um computador tradicional faz ‘n’ cálculos em ‘n’ segundos, um computador quântico pode realizar ‘n ^{2 ′} cálculos no mesmo período de tempo.

Leia:25 maiores invenções em ciência da computação

Você deve se lembrar que o Deep Blue da IBM foi o primeiro computador a derrotar um campeão mundial de xadrez, Garry Kasparov, em 1997. O computador fez isso examinando 200 milhões de movimentos possíveis por segundo. Longe da capacidade do cérebro humano! Mas, se fosse uma máquina quântica, teria calculado 1 trilhão de movimentos por segundo, 4 trilhões de movimentos em 2 segundos e 9 trilhões de movimentos em 3 segundos.

6. Por que é difícil construir computadores quânticos

O problema com os computadores quânticos é a estabilidade. Acontece que a interferência (qualquer tipo de vibração perturba a vibração dos átomos) cria uma saída sem sentido. Os elétrons na mecânica quântica se comportam como ondas e são descritos por uma função de onda. Essas ondas podem interferir, causando o estranho comportamento das partículas quânticas, e isso é chamado de decoerência.

7. Temperatura Fria

A temperatura necessária para manter uma condição estável para um melhor desempenho deve ser muito baixa. Para fazer os computadores quânticos funcionarem, os átomos devem ser mantidos estáveis. E a única maneira eficiente conhecida de manter esses átomos estáveis ​​é reduzir a temperatura a zero Kelvin, onde os átomos se tornam estáveis ​​sem liberar calor.

Atualmente, o sistema D-Wave 2000Q é o computador quântico mais avançado. Seu processador supercondutor é resfriado a 0,015 Kelvin (180 vezes mais frio que o espaço interestelar).

8. Habilidades de resolução de problemas

Os computadores quânticos podem executar algoritmos clássicos; no entanto, para resultados eficientes, eles usam algoritmos que parecem inerentemente quânticos ou usam alguns recursos de computação quântica como emaranhamento quântico ou superposição quântica.

Problemas de classe indecidíveis permanecem indecidíveis na computação quântica. O que torna os algoritmos quânticos fascinantes é que eles serão capazes de resolver problemas mais rapidamente do que os algoritmos clássicos. Por exemplo, eles podem resolver o problema do caixeiro viajante em segundos, o que leva 30 minutos em computadores convencionais.

Além disso, um computador quântico pode ajudar a descobrir planetas distantes, prever com precisão o tempo, detectar o câncer mais cedo e desenvolver medicamentos mais eficazes por meio da análise de dados de sequenciamento de DNA.

Leia:20 maiores programadores de computador de todos os tempos

9. A.I Game Changer

A inteligência artificial está em fase inicial. O robô avançado de hoje pode entrar em uma sala, reconhecer materiais, forma e corpos em movimento, mas carece dos fatores que os tornam realmente inteligentes. Os computadores quânticos são muito melhores no campo do processamento de informações - com 300 bits, seríamos capazes de mapear todo o universo.

As máquinas quânticas seriam capazes de acelerar exponencialmente a taxa de operações de aprendizado de máquina, reduzindo o tempo de centenas de milhares de anos para meros segundos.

Para medir a distância entre dois grandes vetores de 1 zetabyte, um computador convencional com uma taxa de clock de GHz levará centenas de milhares de anos. Ao passo que um computador quântico com taxa de clock de GHz (se algum dia for construído no futuro) levará apenas um segundo depois que os vetores forem emaranhados com o qubit auxiliar.

10. Nem todas as coisas podem ser feitas rapidamente

Embora os computadores quânticos encontrem a maneira mais ideal de resolver um problema, eles contam com alguns dos princípios matemáticos básicos que seu computador pessoal usa diariamente. Isso se refere à aritmética básica que já está bem otimizada.

Não há melhor maneira de somar um conjunto de números do que simplesmente soma-los. Nesses casos, os computadores clássicos são tão eficazes quanto os computadores quânticos.

Leia:50 Shades of Computer Programming Laws

11. Mais recente conquista na computação quântica

Cientistas da University of New South Wales desenvolveram um primeiro portão lógico quântico usando silício em 2015. No mesmo ano, a NASA revelou o primeiro computador quântico operacional feito pela D-Wave no valor de US $ 15 milhões.

Em 2016, pesquisadores da Universidade de Maryland criaram com sucesso o primeiro computador quântico reprogramável. Dois meses depois, a Basel University especificou uma variante da máquina quântica baseada em buracos de elétrons que usa buracos de elétrons (em vez de manipular spins de elétrons) em um semicondutor em baixas temperaturas, que são bem menos vulneráveis ​​à decoerência.

Em 2019, o Google AI, em parceria com a NASA, publicou um artigo afirmando que eles alcançaram a supremacia quântica - um avanço na história da computação quântica.

Leia:A New Quantum Particle - 3D Skyrmion In A Quantum Gas

12. Os sistemas podem ser usados ​​para simular máquinas quânticas

Uma das aplicações mais importantes da computação quântica são os simuladores quânticos. Eles permitem a análise de sistemas quânticos impossíveis de modelar com supercomputadores e difíceis de estudar em laboratório.

Os simuladores quânticos são projetados especificamente para fornecer informações sobre certos problemas de física. Eles podem ser construídos com computadores quânticos "digitais" programáveis ​​convencionalmente, que podem resolver uma ampla gama de problemas quânticos.

Até agora, os simuladores quânticos foram realizados em muitas plataformas experimentais diferentes, incluindo sistemas de íons aprisionados, moléculas polares, gases quânticos ultracold, pontos quânticos e circuitos supercondutores.

13. Linguagem de programação para computadores quânticos

Em 2020, os pesquisadores desenvolveram o Sliq:uma linguagem de programação de alto nível de fácil compreensão para computadores quânticos.

Em cálculos quânticos, os desenvolvedores geralmente precisam lidar com várias coisas frustrantes, como um baixo nível de abstração que leva a um código desordenado, valores temporários que precisam ser descartados e muito mais.

Embora algumas linguagens quânticas tentem contornar isso, elas funcionam de uma maneira relativamente complicada. O Sliq, por outro lado, oferece suporte à descomputação automática e segura, o que permite uma semântica intuitiva.

Alguns fatos e descobertas mais fascinantes

14. A computação quântica foi mencionada pela primeira vez por Richard Feynman em 1959 em sua famosa palestra ‘Há muito espaço na parte inferior’. Ele considerou a possibilidade de manipular átomos individuais como uma forma aprimorada de química sintética.

15. O primeiro protocolo de distribuição de chave quântica do mundo, BB84, foi desenvolvido pelos pesquisadores da IBM Gillies Brassard e Charles Bennett em 1984. É uma técnica de enviar com segurança uma chave privada de um ponto a outro para uso em criptografia de bloco único.

16. Em fevereiro de 2018, os físicos surgiram com uma nova forma de luz, que envolve três estados ligados a três fótons em um meio quântico não linear, que poderia conduzir a revolução da computação quântica.

17. Em março de 2018, o Quantum Artificial Intelligence Lab - administrado pela Universities Space Research Association, NASA e Google - lançou um processador de 72 qubit chamado Bristlecone.

18. Um modelo realista de computação quântica é executado em algoritmos quânticos, que podem ser categorizados pelo tipo de problema que resolvem ou técnica / ideias que usam. Atualmente, temos algoritmos baseados em amplificação de amplitude, transformada quântica de Fourier e algoritmos quânticos híbridos.

19 Vários candidatos diferentes estão sendo procurados para implementar uma máquina quântica fisicamente. Entre eles, os mais populares são -

• Computador quântico supercondutor e de íon aprisionado
• Ponto quântico baseado em spin e baseado em espaço
• Computador quântico baseado em diamante
• Eletrodinâmica quântica de cavidade
• ímã molecular

20. Os dados codificados em um estado quântico não podem ser copiados. Se você tentar ler esses dados, seu estado quântico será alterado. O recurso pode ser usado para identificar espionagem na distribuição de chaves quânticas.

21. Até agora, cinco empresas fabricaram chips quânticos - Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience e Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) e D-Wave (Ranier).

Leia:5 processadores quânticos que apresentam um novo paradigma de computação

22. Em 2020, uma equipe de pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, estabeleceu um novo recorde para preparar e medir bits quânticos dentro de um computador quântico sem erros. Mais especificamente, eles alcançaram uma taxa de erro de preparação e medição de 0,03%. Isso afetará quase todas as áreas da ciência da informação quântica.