Desde a primeira ideia de um computador quântico em 1980 até hoje, a indústria da computação quântica cresceu muito, especialmente nos últimos 10 anos. Muitas empresas estão trabalhando em computadores quânticos.
Compreender a computação quântica pode ser difícil para a maioria de nós, e muitas informações sobre ela não explicam os detalhes importantes.
Este artigo pretende esclarecer tudo e, se você ler o artigo inteiro, terá uma compreensão abrangente do que é a computação quântica, dos vários tipos de computação quântica, seu funcionamento, algoritmos, modelos, abordagens, desafios e aplicações.
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O que são computadores quânticos?
Os computadores quânticos resolvem problemas de uma maneira diferente dos computadores com os quais estamos familiarizados, aos quais, de agora em diante, me referirei como computadores clássicos.
Os computadores quânticos têm certas vantagens sobre os computadores normais para determinados problemas, o que vem da sua capacidade de estar em um grande número de estados ao mesmo tempo, enquanto os computadores clássicos só podem ocupar um estado por vez.
Fonte da imagem: IBM
Para entender isso e como funcionam os computadores quânticos, você precisa entender três coisas: Superposição, Emaranhamento e Interferência.
O básico de um computador normal são bits e, para um computador quântico, são bits quânticos ou qubits, para abreviar. Eles operam de maneiras fundamentalmente distintas.
Um bit clássico é como uma chave que pode ser 0 ou 1, com a qual você provavelmente já está familiarizado como informação binária ou binária. Quando medimos um pouco, apenas recuperamos o estado em que está atualmente, mas veremos que isso não é verdade para qubits. Um qubit é mais complicado.
Sobreposição
Para uma visualização útil, você pode pensar neles como uma seta apontando para um espaço 3D. Se apontarem para cima, estão no estado 1 e se apontarem para baixo, estão no estado 0, assim como um bit clássico, mas também têm a opção de estar em algo chamado estado de superposição, que é quando a seta aponta em qualquer outra direção.
Este estado de superposição é um estado de combinação de 0 e 1.
Estado de superposição
Agora, quando você mede um qubit, o resultado ainda será 1 ou 0, mas qual deles você obterá depende de uma probabilidade definida pela direção da seta.
Se a seta estiver apontando mais para cima, é mais provável que você obtenha um 1 do que um 0, e se ela estiver apontando para baixo, é mais provável que você obtenha um 0 do que um 1, e se estiver exatamente no equador, você obteremos qualquer um dos estados com 50% de probabilidade.
Então, esse é o efeito da superposição explicado; agora passaremos para o emaranhamento.
Emaranhamento
Nos computadores clássicos, os bits são totalmente independentes uns dos outros. O estado de um bit não é influenciado pelo estado de nenhum dos outros bits. Mas em computadores quânticos, os qubits podem ser emaranhados uns com os outros, o que significa que juntos se tornam parte de um grande estado quântico.
Por exemplo, vejamos dois qubits que estão em diferentes estados de superposição, mas ainda não estão emaranhados. Você pode ver as probabilidades ao lado delas, e essas probabilidades são atualmente independentes umas das outras.
Mas quando as emaranhamos, temos de deitar fora essas probabilidades independentes e calcular uma distribuição de probabilidade de todos os estados possíveis de que podemos sair. 00, 01, 10 ou 11.
O ponto importante aqui é que os qubits estão emaranhados; se você mudar a direção da seta em um qubit, isso mudará a distribuição de probabilidade para todo o sistema, de modo que os qubits não serão mais independentes um do outro; todos fazem parte do mesmo grande estado.
E isso é verdade, não importa quantos qubits você tenha. Você também notará que para um qubit você tem uma distribuição de probabilidade em 2 estados.
Com dois qubits, você tem uma distribuição de probabilidade espalhada por quatro estados. Para três qubits você tem uma distribuição em 8 estados, e isso continua dobrando cada vez que você adiciona outro qubit.
Em geral, um computador quântico de n qubits pode estar em uma combinação de 2^n estados. Então, eu diria que esta é a principal diferença entre computadores clássicos e computadores quânticos.
Os computadores clássicos podem estar em qualquer estado que você desejar, mas só podem estar em um estado por vez, enquanto os computadores quânticos podem estar em uma superposição de todos esses estados ao mesmo tempo.
Mas você pode estar se perguntando como estar nesse estado de superposição pode ser útil em um computador. Bem, para isso precisamos do componente final: Interferência.
Interferência
Para explicar o efeito da interferência, precisamos voltar e olhar para a minha imagem de um qubit tecnicamente chamado de esfera de Bloch. Um qubit não se parece com isso; esta é apenas uma boa maneira de visualizar o estado de um qubit.
Na realidade, o estado de um qubit é descrito por uma entidade mais abstrata conhecida como função de onda quântica. As funções de onda são a descrição matemática fundamental de tudo na mecânica quântica.
Quando você tem muitos qubits emaranhados, todas as suas funções de onda são somadas em uma função de onda geral que descreve o estado do computador quântico.
Esta soma de funções de onda é a interferência porque, tal como acontece, digamos, com as ondulações da água, quando somamos ondas, elas podem interferir construtivamente e somar-se para formar uma onda maior, ou interferir destrutivamente para se anularem.
A função de onda geral do computador quântico é o que define as diferentes probabilidades dos diferentes estados e, ao alterar os estados dos diferentes qubits, podemos alterar as probabilidades de que diferentes estados serão revelados quando medimos o computador quântico.
Lembre-se de que, embora o computador quântico possa estar numa superposição de milhões de estados ao mesmo tempo quando o medimos, obtemos apenas um único estado.
Então, quando você está usando um computador quântico para resolver um problema de computação, você precisa usar interferência construtiva para aumentar a probabilidade da resposta correta e usar interferência destrutiva para diminuir as probabilidades das respostas incorretas, para que quando você medir a resposta correta. vai sair.
Algoritmos Quânticos
Agora, como fazer isso é o domínio dos algoritmos quânticos, e toda a motivação por trás da computação quântica é que, teoricamente, há um monte de problemas que você pode resolver em um computador quântico que são considerados intratáveis em computadores clássicos.
Vamos dar uma olhada neles. Existem muitos algoritmos quânticos, muitos para serem descritos neste artigo, então vamos nos concentrar apenas no mais famoso e historicamente importante: o algoritmo de Shor.
#1. Algoritmo de Shor
Se você tiver dois números grandes e multiplicá-los, existe um algoritmo clássico, muito rápido e eficiente para encontrar a resposta. No entanto, se você começar com a resposta e perguntar: quais são os números originais que se multiplicam para formar esse número? É muito mais difícil.
Isso é conhecido como fatoração, e esses números são chamados de fatores e a razão pela qual encontrá-los é tão difícil é porque o espaço de busca de fatores possíveis é muito grande. E não existe um algoritmo clássico eficiente para encontrar os fatores de números grandes.
Por esse motivo, utilizamos essa propriedade matemática para criptografia da Internet: sites, e-mails e contas bancárias seguros. Se você conhecer esses fatores, poderá descriptografar facilmente as informações, mas se não conhecer, precisará encontrá-los primeiro, o que é intratável nos computadores mais poderosos do mundo.
Algoritmo de Shor
É por isso que, em 1994, quando Peter Shor publicou um algoritmo quântico rápido que poderia encontrar com eficiência os fatores de números inteiros grandes, causou grande agitação.
Este foi o momento em que muitas pessoas começaram a levar a sério a ideia da computação quântica, porque era a primeira aplicação a um problema do mundo real com implicações de segurança potencialmente enormes no mundo real.
Mas quando digo um algoritmo quântico “rápido”, quão rápido e quão mais rápido ele seria do que um computador clássico? Para responder a estas questões, precisamos de fazer um pequeno desvio para o mundo da teoria da complexidade quântica.
Teoria da complexidade quântica
A teoria da complexidade quântica é um subcampo do mundo da teoria da complexidade computacional, que trata da categorização de algoritmos, classificando-os em caixas de acordo com o quão bem eles funcionam em computadores.
A classificação é determinada pelo aumento do nível de dificuldade na resolução do problema à medida que ele se torna maior. Aqui, qualquer problema dentro da caixa P é fácil de ser resolvido pelos computadores clássicos, mas qualquer coisa fora dela significa que não temos algoritmos clássicos eficientes para resolvê-los, e fatorar números grandes é um deles.
Mas existe um círculo, BQP, que é eficiente para um computador quântico, mas não para um computador clássico. E esses são os problemas que os computadores quânticos serão melhores para resolver do que os computadores clássicos.
Como eu disse, a teoria da complexidade analisa o quão difícil é resolver um problema à medida que ele se torna maior. Então, se você fatorar um número com 8 dígitos e adicionar outro dígito, quão mais difícil será fatorar o novo número em comparação com o antigo? É duas vezes mais difícil?
Exponencialmente mais difícil? E qual é a tendência à medida que você adiciona mais e mais dígitos? Isso é chamado de complexidade ou escala e, para fatoração, é exponencial.
Qualquer coisa com N no expoente é exponencialmente difícil. Esses problemas exponenciais são aqueles que atrapalham você à medida que os problemas ficam maiores e, no mundo da ciência da computação, você pode ganhar respeito e renome se encontrar um algoritmo melhor para resolver esses problemas mais difíceis.
Um exemplo disso foi o algoritmo de Shor, que aproveitou os recursos especiais dos computadores quânticos para criar um algoritmo que pudesse resolver a fatoração de inteiros com uma escala muito melhor do que o melhor algoritmo clássico.
O melhor algoritmo clássico é exponencial, enquanto o algoritmo de Shor é polinomial, o que é um grande negócio no mundo da teoria da complexidade e da ciência da computação em geral porque transforma um problema insolúvel em um problema solucionável
Resolvido, isto é, se você tiver um computador quântico funcionando, que é o que as pessoas estão trabalhando para construir. Mas você ainda não precisa se preocupar com a segurança de sua conta bancária, porque os computadores quânticos de hoje ainda não são capazes de executar o algoritmo de Shor em grandes números.
IBM Quantum
Eles precisariam de muitos qubits para fazer isso, mas até agora, os computadores quânticos universais mais avançados têm cerca de 433.
Além disso, as pessoas estão trabalhando no que é conhecido como esquemas de criptografia pós-quântica, que não usam fatoração de números inteiros, e outra tecnologia do mundo da física quântica também pode ajudar aqui, um esquema criptográfico conhecido como criptografia quântica.
Então, demos uma olhada em apenas um algoritmo quântico, mas há muitos mais, cada um com diferentes níveis de aceleração.
#2. Algoritmo de Grover
Outro exemplo notável é o algoritmo de Grover, que pode pesquisar listas não estruturadas de dados mais rapidamente do que o melhor algoritmo clássico.
Mas devemos ter cuidado aqui para não descaracterizarmos os computadores clássicos. Eles são dispositivos muito versáteis e não há nada que diga que alguém possa encontrar um algoritmo clássico muito inteligente que possa resolver os problemas mais difíceis, como a fatoração de números inteiros, com mais eficiência.
As pessoas acham que é muito improvável, mas não está descartado. Além disso, existem problemas que podemos provar que são impossíveis de resolver em computadores clássicos, chamados problemas não computáveis, como o problema da parada, mas também são impossíveis de resolver num computador quântico.
Portanto, computacionalmente, os computadores clássicos e os computadores quânticos são equivalentes entre si, todas as diferenças vêm dos algoritmos que eles podem executar. Você pode até simular um computador quântico em um computador clássico e vice-versa.
Simular um computador quântico em um computador clássico torna-se exponencialmente mais desafiador à medida que o número de qubits simulados aumenta.
Isso ocorre porque os computadores clássicos lutam para simular sistemas quânticos, mas como os computadores quânticos já são sistemas quânticos, eles não têm esse problema, o que me leva à minha aplicação favorita de computadores quânticos: a simulação quântica.
#3. Simulação Quântica
A simulação quântica simula coisas como reações químicas ou como os elétrons se comportam em diferentes materiais com um computador. Aqui, os computadores quânticos também têm uma aceleração exponencial em relação aos computadores clássicos porque os computadores clássicos lutam para simular sistemas quânticos.
Mas simular sistemas quânticos com tão poucas partículas é difícil, mesmo nos supercomputadores mais poderosos do mundo. Também não podemos fazer isso em computadores quânticos ainda, mas à medida que amadurecem, o objetivo principal é simular sistemas quânticos cada vez maiores.
Estas incluem áreas como o comportamento de materiais exóticos a baixas temperaturas, como a compreensão do que torna alguns materiais supercondutores ou o estudo de reações químicas importantes para melhorar a sua eficiência; um exemplo visa produzir fertilizantes de uma forma que emita muito menos dióxido de carbono, uma vez que a produção de fertilizantes contribui para cerca de 2% das emissões globais de carbono.
Você pode aprender mais sobre simulação de química quântica.
Simulação Quântica
Outras aplicações potenciais da simulação quântica incluem o aprimoramento de painéis solares, o aprimoramento de baterias e o desenvolvimento de novos medicamentos, produtos químicos ou materiais para a indústria aeroespacial.
Em geral, a simulação quântica significaria que seríamos capazes de criar rapidamente protótipos de muitos materiais diferentes dentro de um computador quântico e testar todos os seus parâmetros físicos, em vez de ter que fabricá-los fisicamente e testá-los em laboratório, o que é muito mais trabalhoso e caro. processo.
Isto tem o potencial de agilizar significativamente os processos e resultar em economias substanciais de tempo e custos. Vale a pena reiterar que todas essas são aplicações potenciais de computadores quânticos porque ainda não temos computadores quânticos que possam resolver problemas do mundo real melhor do que nossos computadores normais. Mas esses são os tipos de problemas para os quais os computadores quânticos seriam adequados.
Modelos de computadores quânticos
Dentro do mundo dos computadores quânticos, há uma grande variedade de abordagens para transformar diferentes tipos de sistemas quânticos em computadores quânticos, e há duas camadas de nuances sobre as quais preciso falar.
O modelo de circuito
No modelo de circuito, eles possuem qubits que trabalham juntos e portas especiais que mexem em alguns qubits por vez, alterando seus estados sem verificação. Eles colocaram essas portas em uma ordem específica para criar um algoritmo quântico. No final, meça os qubits para obter a resposta necessária.
Crédito da imagem: qiskit
Computação Quântica Adiabática
Na computação quântica adiabática, você aproveita um dos comportamentos fundamentais da física, o fato de que todo sistema na física sempre se move em direção ao estado de energia mínima. A computação quântica adiabática funciona enquadrando os problemas de forma que o estado de energia mais baixo do sistema quântico represente a solução.
Recozimento Quântico
O recozimento quântico não é um esquema de computação quântica universal, mas funciona com o mesmo princípio da computação quântica adiabática, com o sistema encontrando o estado de energia mínimo de uma paisagem energética que você fornece.
Computação Quântica Topológica
Nesta abordagem, os qubits são construídos a partir de uma entidade na física chamada quase partícula de modo zero de Majorana, que é um tipo de anyon não abeliano. Prevê-se que essas quase-partículas sejam mais estáveis devido à sua separação física umas das outras.
Crédito da imagem Civils diário
Desafios na construção
Não importa qual seja a abordagem, todos enfrentam um conjunto semelhante de obstáculos, que precisamos analisar primeiro.
- Decoerência: É realmente difícil controlar sistemas quânticos porque se houver qualquer pequena interação com o mundo exterior, a informação começa a vazar. Isso é chamado de decoerência. Seus qubits serão feitos de material físico e você precisará de outro material físico próximo para controlá-los e medi-los; seus qubits são burros; eles se envolverão com tudo que puderem. Você precisa projetar seus qubits com muito cuidado para protegê-los de se enredarem no meio ambiente.
- Ruído: você precisa proteger seus qubits de qualquer tipo de ruído, como raios cósmicos, radiação, energia térmica ou partículas nocivas. Alguma quantidade de decoerência e ruído é inevitável em qualquer sistema físico e é impossível de eliminar completamente.
- Escalabilidade: para cada qubit, você precisa de vários fios para manipulá-lo e medi-lo. À medida que mais qubits são adicionados, a infraestrutura necessária cresce linearmente, representando um desafio de engenharia significativo. Qualquer projeto de computador quântico deve encontrar uma maneira de emaranhar, controlar e medir com eficiência todos esses qubits à medida que aumenta.
- Correção quântica de erros: A correção quântica de erros é um esquema de correção de erros para criar computadores quânticos tolerantes a falhas usando muitos qubits emaranhados juntos para representar um qubit sem ruído. Isso requer um grande número de qubits físicos para formar um qubit tolerante a falhas.
Implementações Físicas
Há uma enorme variedade de diferentes implementações físicas de computadores quânticos porque existem muitos sistemas quânticos diferentes a partir dos quais você poderia construí-los. Aqui estão algumas das abordagens mais amplamente utilizadas e bem-sucedidas:
- Computadores quânticos supercondutores: qubits supercondutores são atualmente a abordagem mais popular. Esses qubits são feitos de fios supercondutores com uma ruptura no supercondutor chamada junção Josephson. O tipo mais popular de qubit supercondutor é chamado transmon.
- Computadores quânticos de pontos quânticos: Qubits são feitos de elétrons ou grupos de elétrons e o sistema de dois níveis é codificado no spin ou carga dos elétrons. Esses qubits são construídos a partir de semicondutores como o silício.
- Computação quântica óptica linear: computadores quânticos ópticos usam fótons de luz como qubits e operam nesses qubits usando elementos ópticos como espelhos, placas de onda e interferômetros.
- Computadores quânticos de íons presos: átomos carregados são usados como qubits, e esses átomos são ionizados, tendo um elétron ausente. O estado de dois níveis que codifica o qubit são os níveis de energia específicos do átomo, que podem ser manipulados ou medidos com microondas ou feixes de laser.
- Computadores quânticos Color Center ou Nitrogen Vacancy: Esses qubits são feitos de átomos incorporados em materiais como nitrogênio em diamante ou carboneto de silício. Eles são criados usando os spins nucleares dos átomos incorporados e são emaranhados com elétrons.
- Átomos Neutros em Redes Ópticas: Esta abordagem captura átomos neutros em uma rede óptica, que é um arranjo cruzado de feixes de laser. O sistema de dois níveis para os qubits pode ser o nível de energia hiperfino do átomo ou estados excitados.
Estas são algumas das principais abordagens para a construção de computadores quânticos, cada uma com características e desafios únicos. A computação quântica está mudando rapidamente e escolher a abordagem certa é vital para o sucesso futuro.
Aplicações de computadores quânticos
- Simulação Quântica: Os computadores quânticos têm potencial para simular sistemas quânticos complexos, possibilitando o estudo de reações químicas, o comportamento dos elétrons em materiais e diversos parâmetros físicos. Isto tem aplicações na melhoria de painéis solares, baterias, desenvolvimento de medicamentos, materiais aeroespaciais e muito mais.
- Algoritmos Quânticos: Algoritmos como o Algoritmo de Shor e o Algoritmo de Grover podem resolver problemas que são considerados intratáveis para computadores clássicos. Eles têm aplicações em criptografia, otimização de sistemas complexos, aprendizado de máquina e IA.
- Cibersegurança: Os computadores quânticos representam uma ameaça aos sistemas clássicos de criptografia. No entanto, também podem contribuir para a cibersegurança através do desenvolvimento de esquemas de encriptação resistentes a quantum. A criptografia quântica, um campo relacionado à computação quântica, pode aumentar a segurança.
- Problemas de otimização: Os computadores quânticos podem resolver problemas complexos de otimização com mais eficiência do que os computadores clássicos. Isto tem aplicações em vários setores, desde o gerenciamento da cadeia de suprimentos até a modelagem financeira.
- Previsão do tempo e alterações climáticas: Embora não sejam totalmente detalhados no artigo, os computadores quânticos poderiam potencialmente melhorar os modelos de previsão do tempo e ajudar a enfrentar os desafios relacionados com as alterações climáticas. Esta é uma área que pode se beneficiar da computação quântica no futuro.
- Criptografia Quântica: A criptografia quântica aumenta a segurança dos dados usando princípios quânticos para comunicação segura. Numa época de crescentes ameaças cibernéticas, isto é crucial.
Agora precisamos ter um pouco de cuidado com o potencial de exagero aqui, já que muitas das afirmações sobre a utilidade dos computadores quânticos vêm de pessoas que estão ativamente arrecadando dinheiro para construí-los.
Mas a minha opinião é que, historicamente, quando surge uma nova tecnologia, as pessoas da época não são as melhores a saber para que será usada.
Por exemplo, as pessoas que inventaram os primeiros computadores nunca sonharam com a Internet e com todas as coisas nela contidas. É provável que seja o mesmo para computadores quânticos.
Pensamentos finais
Os computadores quânticos estão melhorando a cada dia e, embora ainda não possamos usá-los em nossas vidas diárias, eles têm potencial para aplicações práticas no futuro.
Neste artigo, discuti vários aspectos dos computadores quânticos, incluindo seus conceitos fundamentais, como superposição, emaranhamento e interferência.
Em seguida, exploramos algoritmos quânticos, incluindo o algoritmo de Shor e o algoritmo de Grover. Também nos aprofundamos na teoria da complexidade quântica e nos diferentes modelos de computadores quânticos.
Posteriormente, abordei os desafios e questões práticas de implementação associadas à computação quântica. Finalmente, examinamos a ampla gama de aplicações potenciais para computadores quânticos.
A seguir, você também pode ler sobre as perguntas frequentes sobre computação quântica.