Há muita propaganda sobre a computação quântica – sobre como é um campo empolgante e revoluciona a forma como resolvemos problemas complexos em vários setores. Ambas as afirmações são verdadeiras, pois a computação quântica representa uma nova maneira de processar informações.
Organizações em todo o mundo estão dedicando recursos significativos para o desenvolvimento de tecnologias de computação quântica devido à sua capacidade de considerar muitas possibilidades e oferecer soluções potenciais para problemas complexos.
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O que é Computação Quântica?
A computação quântica é um campo da ciência da computação baseado no princípio da física quântica (o estudo de como as partículas atômicas existem e interagem umas com as outras). Explica o comportamento da matéria e da energia nos níveis atômico e subatômico.
Os computadores quânticos usam bits quânticos ou qubits (pronuncia-se cue-bits), que podem existir simultaneamente em vários estados. Essa propriedade permite que computadores quânticos resolvam problemas que levariam computadores convencionais uma quantidade impraticável de tempo ou recursos computacionais.
Como funciona a computação quântica?
A computação quântica usa qubits para desenvolver computadores quânticos que compreendem sistemas quânticos como fótons e elétrons. Eles são frequentemente usados para realizar cálculos que normalmente seriam impraticáveis para computadores clássicos. Além disso, a computação quântica usa portas lógicas quânticas para manipular qubits e realizar cálculos.
Os portões quânticos são análogos aos portões lógicos usados em computadores clássicos, mas operam em bits quânticos – os pesquisadores os usam para criar e manipular superposições e emaranhar qubits.
Ele se esforça para melhorar os recursos de computação e resolver os problemas complexos que os computadores clássicos de hoje não podem resolver devido à sua abordagem binária e existência limitada em dois estados – 0 e 1, enquanto a computação quântica pode assumir os dois estados simultaneamente.
Diferença entre Computação Quântica e Computação Clássica
As diferenças entre a computação quântica e a computação clássica estão em suas capacidades de computação e como elas operam. Enquanto a computação quântica é baseada na teoria quântica.
A computação clássica é baseada em dígitos binários ou bits, que podem assumir o valor de 0 ou 1. Os computadores quânticos usam qubits como sua unidade de dados. A computação quântica pode assumir ambos os valores (0s e 1s) simultaneamente – esse ato é conhecido como superposição. Uma propriedade que permite que computadores quânticos assumam dois estados ao mesmo tempo.
Quando se trata de poder, a computação clássica tem menor poder de computação do que a computação quântica porque seu poder aumenta com base na relação 1:1 com os transistores disponíveis. Para a computação quântica, a potência aumenta significativamente com base no número de qubits.
Ao contrário da computação clássica, que pode ser implementada com códigos escritos em linguagens de programação como Java, SQL, PHP, C#, C++ e Python, entre outras, a computação quântica combina código, matemática, física e algoritmos para atender a seu propósito específico.
Devido à sua arquitetura complexa, fragilidade e alto custo de desenvolvimento e implementação, a computação quântica não é criada como uma máquina de propósito geral para uso público, ela é projetada para uma finalidade e caso de uso específicos. Por outro lado, os computadores clássicos são amplamente difundidos e facilmente acessíveis.
Os computadores quânticos têm taxas de erro mais altas do que a computação clássica e requerem cuidados extras, como serem mantidos em uma sala ultrafria para regular o calor. Em contraste, os computadores clássicos podem funcionar à temperatura ambiente.
Em termos de usabilidade, a computação quântica é adequada para tarefas complexas como simulação, otimização, aprendizado de máquina e outras operações com uso intensivo de recursos. A computação clássica é adequada para tarefas como processamento de texto, cálculos de planilhas e outras tarefas que não exigem muitos recursos.
Benefícios da Computação Quântica
Os benefícios da computação quântica são enormes quando usados corretamente. Analisamos os principais méritos abaixo.
- Velocidade: Eles podem processar dados mil vezes mais rápido que os computadores convencionais.
- Segurança: Seu algoritmo pode ser usado para melhorar a criptografia digital e proteger a infraestrutura de TI de uma organização.
- Capacidade de resolver problemas complexos: em 2019, o Google afirmou que seu Sycamore – um processador de 54 qubits – realizou uma computação que levaria o supercomputador mais rápido do mundo 10.000 anos para ser concluído em 200 segundos.
- Melhorar a detecção de fraudes: as instituições financeiras podem usar a computação quântica para criar melhores simuladores de negociação, projetar portfólios de investimento eficientes e melhorar a detecção de fraudes.
- Pesquisa: ajuda os cientistas a desenvolver melhores modelos e abordagens para resolver problemas em vários setores, como pesquisa de medicamentos na área da saúde e descoberta química na fabricação.
Características da Computação Quântica
A seguir estão os principais recursos da computação quântica.
Sobreposição
A capacidade dos sistemas quânticos de existirem simultaneamente em vários estados é conhecida como superposição. Os computadores clássicos só podem existir em um estado por vez (0 ou 1), o que significa que eles não têm capacidade de superposição.
Emaranhamento
O emaranhamento ocorre quando dois qubits estão ligados e o estado de uma partícula afeta a outra, mesmo que estejam a quilômetros de distância. É frequentemente usado para criar uma rede quântica, permitindo que computadores quânticos compartilhem informações.
Interferência Em sistemas quânticos, a interferência é um subproduto da superposição. É um fenômeno de onda que ocorre quando partículas subatômicas interagem e influenciam.
Pode ser construtiva (quando as ondas se reforçam ou amplificam a resposta certa) ou destrutiva (quando se anulam).
Decoerência
Os sistemas quânticos são frágeis e sensíveis aos seus arredores; as interferências de seus ambientes podem fazer com que o comportamento quântico dos qubits decaia – fazendo-os perder suas capacidades quânticas.
Por exemplo, o ruído pode fazer com que os qubits saiam da superposição. Além disso, até mesmo as mudanças de temperatura podem afetar seu desempenho. Daí a necessidade de mantê-lo em um ambiente altamente regulamentado e controlado.
Limitações e desafios da computação quântica
Embora a computação quântica ofereça muitas vantagens, ela também apresenta algumas desvantagens que vale a pena mencionar.
- Decoerência: Ao contrário dos computadores clássicos, os computadores quânticos são sensíveis ao ruído. A perturbação pode fazer com que ele caia da superposição antes que possa concluir suas tarefas.
- Requer um especialista: devido à sua complexidade, requer um conjunto diversificado de especialistas quânticos.
- Correção de erros quânticos: é provável que ocorram erros durante as operações de computação, levando a resultados questionáveis. Um sistema quântico tolerante a falhas é necessário para suportar a interferência dos arredores.
Aplicações da vida real e usos da computação quântica
#1. modelagem financeira
O mercado financeiro é volátil e altamente imprevisível. Com a computação quântica, as organizações financeiras podem simular sistemas financeiros e usar a tecnologia para modelar investimentos com base nos retornos esperados.
Também pode ser usado nos aspectos de otimização de portfólio, redução de riscos e gerenciamento, além de precificação de opções. Aqueles que realizam transações de alto volume podem aproveitar a computação quântica para prever mercados e analisar a economia financeira global.
#2. Otimização logística
Os computadores quânticos se destacam quando se trata de coletar dados em tempo real para otimizar a logística, o estoque e o transporte da cadeia de suprimentos. As organizações precisam calcular e recalcular continuamente as rotas ideais de gerenciamento de tráfego, operações de frota, controle de tráfego aéreo, frete e distribuição – isso é possível com a computação clássica.
Mas para grandes organizações com necessidades complexas de cadeia de suprimentos, esse processo pode consumir muitos recursos e a computação quântica pode salvar a situação.
#3. Baterias melhores
Com os veículos elétricos (EVs) se tornando comuns em nossa sociedade, os fabricantes estão usando a capacidade de computação quântica para simular o comportamento de moléculas e materiais e entender os compostos de lítio e a química da bateria para otimizar a vida útil das baterias.
Além dos EVs, a computação quântica também tem aplicações em armazenamento de energia renovável e dispositivos móveis.
#4. Manufatura
A computação quântica é usada para melhorar muitos aspectos da fabricação. Uma visão especializada divulgada pelo IBM Institute for Business Value dividiu os casos de uso de computação quântica na fabricação em quatro categorias.
Descobrir
- Química
- Ciência de materiais
- Física de matéria condensada
Projeto
- Análise de diferenças finitas
- Análise estrutural Hidro/aerodinâmica
Ao controle
- Otimização
- Aprendizado de máquina
- Classificação
Fornecer
- Cadeia de mantimentos
- otimização
- Modelagem de risco
Aqueles que adotarem a computação quântica nessas áreas-chave obterão uma vantagem decisiva, pois ajudarão a reduzir os custos de fabricação e aumentar a velocidade de produção.
#5. Desenvolvimento de modelos climáticos
A computação quântica pode ajudar a resolver problemas persistentes de sustentabilidade, como a mudança climática. De acordo com o relatório do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), as emissões de gases de efeito estufa devem ser significativamente reduzidas antes de 2025 para evitar grandes catástrofes climáticas. A computação quântica pode ser usada para reduzir o impacto climático.
A fabricação de amônia contribui com entre 1 e 2% das emissões globais de dióxido de carbono – a computação quântica pode ajudar a desenvolver energia limpa alternativa, como melhores baterias para veículos elétricos, energia solar e muito mais, a fim de facilitar o processo de descarbonização da Terra. Também pode facilitar as melhorias do modelo na previsão do clima e do tempo, bem como no gerenciamento da rede.
#6. Indústria automobilística
A indústria automotiva está adotando rapidamente a tecnologia de computação quântica, isso é evidente em parcerias entre empresas de computação quântica e fabricantes de automóveis, incluindo D-Wave Systems e Volkswagen; Zapata Computing e Bosch; e até IBM Quantum e Mercedes-Benz.
Os fabricantes de equipamentos originais (OEM) estão procurando aproveitar a computação quântica para otimização de rotas e aumentar a durabilidade do material.
#7. Desenvolvimento de aeronaves
As empresas aeroespaciais podem aproveitar a computação quântica para muitos processos, desde a otimização do plano de voo até a modelagem e digitalização de aeronaves. A Airbus, uma corporação aeroespacial que projeta, fabrica e vende aeronaves comerciais, investiu em IonQ, Q-CTRL e QC Ware para alavancar tecnologias quânticas no desenvolvimento de modelos complexos de aeronaves.
#8. Desenvolvimento de drogas
Os computadores clássicos são usados atualmente para executar centenas de milhões de simulações moleculares, mas há um limite para o tamanho da molécula que eles podem calcular. A computação quântica permite pesquisa e desenvolvimento para simular moléculas grandes e complexas para melhorar a descoberta de drogas assistida por computador (CADD).
A McKinsey & Company informou em 2021 que a indústria farmacêutica gasta cerca de 15% de suas vendas em P&D, o que representa mais de 20% do total de gastos com P&D em todos os setores em todo o mundo.
Esse investimento, em parte, ajuda a indústria farmacêutica a encontrar formas eficientes de desenvolver micromoléculas e macromoléculas para ajudar na cura de doenças e enfermidades. Com a computação quântica, os pesquisadores podem falhar rapidamente e acelerar o desenvolvimento de medicamentos com maior chance de sucesso.
#9. Aprendizado de máquina
A capacidade dos computadores quânticos de processar dados grandes e complexos os torna bons candidatos para o aprendizado de máquina. O aprendizado de máquina quântica é um campo de estudo que integra algoritmos quânticos com programas de aprendizado de máquina.
Os algoritmos quânticos podem ter uma aceleração polinomial ou superpolinomial (exponencial), o que melhora a velocidade computacional. Com o aprendizado de máquina quântica, os profissionais de dados podem desenvolver algoritmos mais rápidos e avançados, resolver padrões de dados complexos e avançar no desenvolvimento de aplicativos de visão computacional e aprendizado por reforço.
Recursos de Aprendizagem: Computação Quântica
Para aprender mais, recomendamos os seguintes recursos.
#1. Dançando com Qubits
De autoria de Robert S. Sutor, este livro explica como a computação quântica funciona e se aplica à computação científica e à IA. Dançando com Qubits aborda as diferenças entre computação clássica e quântica e descreve seus casos de uso em vários setores.
Os leitores também aprenderão conceitos como superposição, emaranhamento e interferência, bem como circuitos e algoritmos. Este recurso ensinará sobre os fundamentos e fundamentos da computação quântica.
#2. Computação Quântica: Uma Abordagem Aplicada
Escrito pelo CEO da SandboxAQ (Jack D. Hidary), uma empresa de tecnologia quântica – este material combina a teoria e a praticidade da computação quântica, incluindo código prático.
O livro tem três partes: a primeira parte cobre os fundamentos da computação quântica e dos circuitos quânticos, a segunda parte explica algoritmos de computação quântica e fornece código sobre os métodos atuais de computação quântica, e a parte três cobre os aspectos matemáticos da computação quântica.
#3. Computação quântica para todos
Os iniciantes que procuram material completo acharão este recurso benéfico. Ele cobre os fundamentos da computação quântica e explica seus principais componentes, como qubits, emaranhamento e teletransporte quântico.
O autor deste livro, Chris Bernhardt, simplifica a matemática por trás da computação quântica e também explica como os computadores quânticos são construídos, tornando mais fácil para aqueles que são novos em computadores quânticos entender o processo de desenvolvimento dos sistemas.
Conclusão
Empresas como Google, IBM e Microsoft estão liderando a inovação de soluções de computação quântica – as universidades também não ficam para trás. A escassez de especialistas em computação quântica contribui para seu progresso lento, além do custo de construção de um computador quântico ser alto e poucas organizações terem os recursos necessários para criar um.
Embora a computação quântica tenha muitas promessas, ainda não chegou lá. Levará alguns anos para realizar todo o seu potencial e se tornar comum como os computadores clássicos.
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