Computação quântica é uma área de estudo focada no desenvolvimento de tecnologias baseadas em computação centrada nos princípios da teoria quântica. A teoria quântica explica a natureza e o comportamento da energia e da matéria no quantum (atômico e subatômico) nível. A computação quântica usa uma combinação de bits para realizar tarefas computacionais específicas. Todos com uma eficiência muito maior do que os seus equivalentes clássicos. O desenvolvimento de computadores quânticos marca um salto na capacidade computacional, com ganhos maciços de desempenho para casos de uso específicos. Por exemplo, a computação quântica destaca-se em simulações.
O computador quântico ganha muito do seu poder de processamento através da capacidade de os bits estarem em vários estados ao mesmo tempo. Eles podem executar tarefas usando uma combinação de 1's, 0's e ambos um 1 e 0 simultaneamente. Os centros de pesquisa atuais em computação quântica incluem o MIT, IBM, Universidade de Oxford, e o Laboratório Nacional de Los Alamos. Além disso, os desenvolvedores começaram a ter acesso a computadores quânticos através de serviços em nuvem.
Computação quântica começou com a descoberta de seus elementos essenciais. Em 1981, Paul Benioff do Argonne National Labs surgiu com a idéia de um computador que operava com princípios mecânicos quânticos. É geralmente aceito que David Deutsch da Universidade de Oxford forneceu a idéia crítica por trás da pesquisa da computação quântica. Em 1984, ele começou a se perguntar sobre a possibilidade de projetar um computador que fosse baseado exclusivamente em regras quânticas, publicando um artigo inovador alguns meses depois.
> forte> Teoria Quântica>>>p> O desenvolvimento da teoria quântica começou em 1900 com uma apresentação de Max Planck. A apresentação foi para a Sociedade Física Alemã, na qual Planck introduziu a idéia de que energia e matéria existem em unidades individuais. Outros desenvolvimentos por vários cientistas ao longo dos trinta anos seguintes levaram ao entendimento moderno da teoria quântica.
O IBM Q System One foi introduzido em janeiro de 2019 e foi o primeiro sistema de computação quântica para uso científico e comercial.
> forte> Teoria Quântica
O desenvolvimento da teoria quântica começou em 1900 com uma apresentação de Max Planck. A apresentação foi para a Sociedade Física Alemã, na qual Planck introduziu a idéia de que energia e matéria existem em unidades individuais. Outros desenvolvimentos por vários cientistas ao longo dos trinta anos seguintes levaram à compreensão moderna da teoria quântica.
> forte> Os Elementos Essenciais da Teoria Quântica:
- Energy, como a matéria, consiste em unidades discretas; em oposição a uma onda contínua.
- Partículas elementares de energia e matéria, dependendo das condições, podem comportar-se como partículas ou ondas.
- O movimento das partículas elementares é inerentemente aleatório e, portanto, imprevisível.
- A medição simultânea de dois valores complementares -- como a posição e o momento de uma partícula -- é imperfeita. Quanto mais precisamente um valor for medido, mais falsa será a medição do outro valor.
>> forte>Further Developments of Quantum Theory
Niels Bohr propôs a interpretação da teoria quântica de Copenhague. Esta teoria afirma que uma partícula é o que quer que seja medida, mas que não se pode supor que tenha propriedades específicas, ou mesmo que exista, até que seja medida. Isto está relacionado com um princípio chamado superposição. A superposição afirma quando não sabemos qual é o estado de um determinado objeto, ele está na verdade em todos os estados possíveis simultaneamente -- desde que não procuremos verificar.
Para ilustrar esta teoria, podemos usar a famosa analogia de Schrodinger's Cat. Primeiro, nós temos um gato vivo e o colocamos em uma caixa de chumbo. Nesta fase, não há dúvida de que o gato está vivo. Depois atiramos um frasco de cianeto e selamos a caixa. Não sabemos se o gato está vivo ou se partiu a cápsula de cianeto e morreu. Como não sabemos, o gato está vivo e morto, de acordo com a lei quântica - em uma sobreposição de estados. É somente quando abrimos a caixa e vemos em que condição o gato está que a superposição se perde, e o gato deve estar vivo ou morto.
O princípio de que, de alguma forma, uma partícula pode existir em numerosos estados abre profundas implicações para a computação.
>forte>Uma comparação entre Computação Clássica e Quântica
Computação Clássica baseia-se em princípios expressos pela álgebra booleana; geralmente operando com um princípio de 3 ou 7 modos logic gate . Os dados devem ser processados em um estado binário exclusivo em qualquer momento; ou 0 (desligado / falso) ou 1 (ligado / verdadeiro). Estes valores são dígitos binários, ou bits. Os milhões de transistores e capacitores no coração dos computadores só podem estar em um estado em qualquer ponto. Além disso, ainda há um limite quanto à rapidez com que esses dispositivos podem ser feitos para mudar de estado. À medida que avançamos para circuitos menores e mais rápidos, começamos a atingir os limites físicos dos materiais e o limiar para as leis clássicas da física serem aplicadas.
O computador quântico opera com uma porta lógica de dois modos: XOR e um modo chamado QO1 (a capacidade de mudar 0 para uma sobreposição de 0 e 1). Em um computador quântico, um número de partículas elementares, como elétrons ou fótons, pode ser usado. A cada partícula é dada uma carga, ou polarização, atuando como uma representação de 0 e/ou 1. Cada partícula é chamada de bit quântico, ou qubit. A natureza e o comportamento dessas partículas formam a base da computação quântica e da supremacia quântica. Os dois aspectos mais relevantes da física quântica são os princípios de superposição e entanglement.
> forte>Superposição
Pense num qubit como um elétron em um campo magnético. O spin do elétron pode estar em alinhamento com o campo, que é conhecido como a spin-up state, ou oposto ao campo, que é conhecido como a spin-down state. A mudança do spin do elétron de um estado para outro é obtida usando um pulso de energia, tal como de a laser. Se apenas meia unidade de energia laser é utilizada, e a partícula é isolada de todas as influências externas, a partícula entra então numa sobreposição de estados. Comportando-se como se estivesse em ambos os estados simultaneamente.
Cada qubit utilizado poderia ter uma sobreposição de 0 e 1. Ou seja, o número de cálculos que um computador quântico poderia fazer é 2^n, onde n é o número de qubits utilizados. Um computador quântico composto de 500 qubits teria um potencial para fazer 2^500 cálculos em um único passo. Para referência, 2^500 é infinitamente mais átomos do que há no universo conhecido. Todas estas partículas interagem entre si através do entrelaçamento quântico.
Em comparação com a computação quântica clássica, a computação quântica conta como true processamento paralelo. Os computadores clássicos de hoje ainda só fazem verdadeiramente uma coisa de cada vez. Na computação clássica, existem apenas dois ou mais processadores para constituir o processamento paralelo.
Entanglement As partículas (como qubits) que interagiram em algum ponto retêm um tipo podem ser enredadas entre si em pares, em um processo conhecido como correlação. Conhecer o estado de spin de uma partícula enredada - para cima ou para baixo - dá o spin da outra na direção oposta. Além disso, devido à sobreposição, a partícula medida não tem uma única direção de centrifugação antes de ser medida. O estado de spin da partícula a ser medida é determinado no momento da medição e comunicado à partícula correlacionada, que assume simultaneamente a direção de spin oposta. A razão por trás disso ainda não é explicada.
Entanglement quantum permite que qubits que estão separados por grandes distâncias interajam entre si instantaneamente (não limitado à velocidade da luz). Não importa quão grande seja a distância entre as partículas correlacionadas, elas permanecerão enredadas enquanto estiverem isoladas.
Tomadas juntas, a sobreposição quântica e o enredamento criam um poder computacional enormemente aumentado. Onde um registro de 2 bits em um computador comum pode armazenar apenas uma das quatro configurações binárias (00, 01, 10, ou 11) a qualquer momento, um registro de 2 bits em um computador quântico pode armazenar os quatro números simultaneamente. Isto é porque cada qubit representa dois valores. Se mais qubits forem adicionados, a capacidade aumentada é expandida exponencialmente.
>forte>Programação Quântica
Computação Quântica oferece uma capacidade de escrever programas de uma forma completamente nova. Por exemplo, um computador quântico poderia incorporar uma sequência de programação que estaria na linha de "tomar todas as superposições de todos os cálculos anteriores". Isto permitiria formas extremamente rápidas de resolver certos problemas matemáticos, como a factorização de grandes números.
>br> O primeiro programa de computação quântica surgiu em 1994 por Peter Shor, que desenvolveu um algoritmo quântico que poderia factorizar eficientemente grandes números.
< forte>The Problems - And Some Solutions
Os benefícios da computação quântica são promissores, mas existem enormes obstáculos a ultrapassar ainda. Alguns problemas com computação quântica são:
- Interferência - a menor perturbação em um sistema quântico pode causar o colapso de uma computação quântica, um processo conhecido como de-coerência. Um computador quântico deve ser totalmente isolado de todas as interferências externas durante a fase de cálculo. Algum sucesso foi alcançado com o uso de qubits em campos magnéticos intensos, usando íons.
- Correção de erros - Qubits não são bits digitais de dados e não podem usar a correção convencional de erros. A correção de erros é crítica na computação quântica, onde mesmo um único erro em um cálculo pode causar o colapso da validade de todo o cálculo. No entanto, tem havido um progresso considerável nesta área. Com um algoritmo de correção de erros desenvolvido que utiliza 9 qubits -- 1 computacional e 8 correcionais. Mais recentemente, houve um avanço da IBM que se contenta com um total de 5 qubits (1 computacional e 4 correcionais).li>Output observance - A recuperação dos dados de saída após um cálculo quântico está completa e corre o risco de corromper os dados. Desde então foram feitos desenvolvimentos, tais como um algoritmo de busca de banco de dados que se baseia na forma especial de "onda" da curva de probabilidade em computadores quânticos. Isso garante que, uma vez que todos os cálculos sejam feitos, o ato de medição verá o estado quântico decohere na resposta correta.
Há muitos problemas a serem superados, tais como como como lidar com a segurança e criptografia quântica. O armazenamento de informações quânticas há muito tempo também tem sido um problema no passado. No entanto, avanços nos últimos 15 anos e no passado recente tornaram prática alguma forma de computação quântica. Ainda há muito debate sobre se isto está a menos de uma década ou cem anos de distância no futuro. Entretanto, o potencial que essa tecnologia oferece está atraindo um tremendo interesse tanto do governo quanto do setor privado. As aplicações militares incluem a capacidade de quebrar chaves de criptografia através de buscas por força bruta, enquanto as aplicações civis vão desde a modelagem de DNA até a análise complexa da ciência dos materiais.