Computadores Quânticos Explicados: 22 Fatos Essenciais (Edição 2021)

Computadores Quânticos Explicados: 22 Fatos Essenciais (Edição 2021)

Computadores quânticos não servem para checar emails, atualizar status ou fazer tarefas normais de software/hardware. Em vez disso, baseiam-se em algo mais complicado — Mecânica Quântica.

Computador quântico lida com partículas muito menores que o tamanho de átomos. Em escalas tão pequenas, regras da física não fazem sentido. É onde coisas emocionantes começam a acontecer. Partículas podem mover-se para frente e para trás ou podem até existir simultaneamente. Estes tipos de computadores podem aumentar poder computacional além do alcançável por computadores convencionais atuais.

Vamos elaborar o que sabemos sobre computação quântica no presente. Reunimos alguns fatos interessantes sobre computadores quânticos que vão desafiar sua mente.

1. Padrão de Armazenamento de Informação

Computadores que usamos hoje armazenam dados em formato binário — uma série de 0's e 1's. Cada componente de memória é chamado de bit, e pode ser manipulado via passos de lógica booleana.

Por outro lado, um computador quântico armazenaria dados como '0', '1', ou uma superposição quântica dos dois estados. Tal bit quântico (também conhecido como Qubit) tem flexibilidade muito maior comparado a um sistema binário.

Qubits poderiam ser implementados usando partículas com dois estados de spin — "up" e "down". Tal sistema poderia ser mapeado em um sistema efetivo de spin-1/2.

2. Velocidade Incrível

Como dados em computadores quânticos podem existir em mais que apenas estados 0 e 1, podem realizar cálculos em paralelo. Vamos considerar um exemplo simples; se o qubit está em superposição do estado 0 e estado 1, e realiza um cálculo com outro qubit em superposição similar, deixaria quatro resultados — 0/1, 0/0, 1/0 e 1/1.

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

3. Segurança Redefinida

A velocidade de computadores quânticos também é uma séria preocupação no campo de criptografia e criptografia. Sistemas de segurança financeira mundial atuais baseiam-se em fatoração de números grandes (algoritmos RSA ou DSA) que literalmente não podem ser quebrados por computadores convencionais dentro da vida útil da Terra. No entanto, um computador quântico poderia fatorar os números em período razoável.

Por outro lado, computadores quânticos poderão fornecer recursos de segurança inquebráveis. Podem travar dados cruciais (como transações online, contas de email) com criptografias muito melhores.

Muitos algoritmos foram desenvolvidos para computadores quânticos — os mais conhecidos são algoritmo de Grover (para busca em banco de dados não estruturado) e algoritmo de Shor (para fatoração de números grandes).

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4. Eficiente Energéticamente

Consumo de energia é fator crítico de qualquer dispositivo rodando em eletricidade. Um enorme array de processadores precisa de grande quantidade de fonte de energia para sustentar seu desempenho. O supercomputador mais rápido do mundo (Summit), por exemplo, consome 13 MW de potência.

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

5. Realidades Alternativas

Segundo 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 no seu laptop. Em outro universo, pode estar lendo 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 'n²' cálculos no mesmo tempo.

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Você pode 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 em 2 segundos, e 9 trilhões em 3 segundos.

6. Por Que É Difícil Construir Computadores Quânticos

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

7. Temperatura Fria

A temperatura necessária para manter condição estável para melhor desempenho deve ser realmente baixa. Para fazer computadores quânticos funcionarem, átomos devem ser mantidos estáveis. E a única maneira eficiente conhecida de manter esses átomos estáveis é reduzir temperatura a zero Kelvin, onde átomos ficam 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

Computadores quânticos podem rodar algoritmos clássicos; no entanto, para resultados eficientes, usam algoritmos que parecem inerentemente quânticos ou usam algumas características de computação quântica como emaranhamento quântico ou superposição quântica.

Problemas de classe indecidível permanecem indecidíveis em computação quântica. O que torna algoritmos quânticos fascinantes é que poderão resolver problemas mais rápido que algoritmos clássicos. Por exemplo, podem resolver o problema do caixeiro viajante em segundos, que leva 30 minutos em computadores convencionais.

Além disso, um computador quântico pode ajudar a descobrir planetas distantes, prever tempo precisamente, detectar câncer mais cedo e desenvolver medicamentos mais eficazes analisando dados de sequenciamento de DNA.

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9. Transformador de IA

A inteligência artificial está na fase inicial. Robôs avançados de hoje podem entrar numa sala, reconhecer materiais, formas e corpos em movimento, mas faltam fatores que os tornem realmente inteligentes. Computadores quânticos são muito melhores no campo de processamento de informação — com 300 bits, seríamos capazes de mapear o universo inteiro.

Máquinas quânticas seriam capazes de acelerar exponencialmente a taxa de operações de machine learning, reduzindo tempo de centenas de milhares de anos para meros segundos.

Para medir distância entre dois vetores grandes de tamanho 1 Zettabyte, um computador convencional com clock GHz levará centenas de milhares de anos. Enquanto, um computador quântico com clock GHz (se alguma vez for construído no futuro) levará apenas um segundo após vetores serem emaranhados com qubit ancilar.

10. Nem Tudo Pode Ser Acelerado

Embora computadores quânticos encontrem a maneira mais ótima de resolver um problema, dependem de alguns princípios matemáticos básicos que seu computador pessoal usa diariamente. Isso refere-se a aritmética básica que já é bem otimizada.

Não há maneira melhor de somar um conjunto de números do que apenas somá-los. Em tais casos, computadores clássicos são tão eficazes quanto computadores quânticos.

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11. Última Conquista em Computação Quântica

Cientistas da Universidade de New South Wales desenvolveram primeira porta lógica quântica usando silício em 2015. No mesmo ano, NASA revelou o primeiro computador quântico operacional feito pela D-Wave que valia $15 milhões.

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

Em 2019, Google AI, em parceria com NASA, publicou artigo alegando que alcançaram supremacia quântica — um marco na história da computação quântica.

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12. Sistemas Podem Ser Usados Para Simular Máquinas Quânticas

Uma das aplicações mais importantes de computação quântica são simuladores quânticos. Permitem análise de sistemas quânticos impossíveis de modelar com supercomputadores e difíceis de estudar em laboratório.

Simuladores quânticos são especificamente projetados para fornecer insight sobre certos problemas de física. Podem ser construídos com computadores quânticos "digitais" programáveis convencionalmente, que poderiam resolver ampla gama de problemas quânticos.

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

13. Linguagem de Programação Para Computadores Quânticos

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

Em computações quânticas, desenvolvedores geralmente lidam com várias coisas frustrantes, como baixo nível de abstração que leva a código confuso, valores temporários que precisam ser descartados, e muito mais.

Embora algumas linguagens quânticas tentem contornar isso, funcionam de forma relativamente complicada. Sliq, por outro lado, suporta descomputação automática segura, o que permite semântica intuitiva.

Mais Fatos Fascinantes e Descobertas

14. Computação quântica foi mencionada pela primeira vez por Richard Feynman em 1959 em sua famosa palestra "There is plenty of room at the bottom". Ele considerou a possibilidade de manipular átomos individuais como forma aprimorada de química sintética.

15. O primeiro protocolo de distribuição de chave quântica do mundo, BB84, foi desenvolvido por pesquisadores da IBM Gillies Brassard e Charles Bennett em 1984. É uma técnica de enviar chave privada de forma segura de um ponto a outro para uso em criptografia one-time pad.

16. Em fevereiro de 2018, físicos criaram uma nova forma de luz, que envolve estados ligados de três fótons em meio quântico não linear, que poderia impulsionar revolução da computação quântica.

17. Em março de 2018, o Laboratório de Inteligência Artificial Quântica — executado pela Universities Space Research Association, NASA e Google — lançou processador de 72-qubit chamado Bristlecone.

18. Um modelo realista de computação quântica roda 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 perseguidos para implementar uma máquina quântica fisicamente. Entre eles, os mais populares são:

• Computador quântico supercondutor e de íons aprisionados
• Ponto quântico baseado em spin e espacial
• Computador quântico baseado em diamante
• Eletrodinâmica quântica de cavidade
• Ímã molecular

20. Dados codificados em estado quântico não podem ser copiados. Se você tentar ler estes dados, seu estado quântico será alterado. O recurso poderia ser usado para identificar espionagem em distribuição de chave quântica.

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

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