Noções básicas de computação quântica

Computadores quânticos são um tipo radicalmente diferente de computador, baseado nas leis da mecânica quântica. Eles têm o potencial de resolver problemas que aumentam muito rapidamente e, portanto, são desafiadores para os computadores clássicos. Agora é possível acessar computadores quânticos reais através da nuvem para realizar experimentos e explorar novos problemas.

Bits e Qubits
A computação e o armazenamento de dados em todos os sistemas modernos ocorrem nos chamados ‘bits’ – sistemas digitais com apenas dois estados discretos (por exemplo, os estados ligado e desligado de um transistor ou campos magnéticos apontando para norte e sul que podem ser estendidos em casos quânticos para cima e para baixo, apontando para a rotação).

Os dois estados desses bits são referidos (de maneira arbitrária) como ‘0’ e ‘1.’.

bits clássicos podem ocupar apenas um dos dois estados disponíveis por vez, uma seqüência de n bits pode representar apenas um elemento de um espaço de 2 ^ n (2 à potência n). Representar o espaço completo, contendo 2 ^ n arranjos possíveis de bits, requer, portanto, 2 ^ n bits (isso não pressupõe compressão, como é o caso ao executar a maioria dos cálculos de interesse).

Um bit clássico, o “bit” é realizado fisicamente como um nível de tensão através de um elemento específico que representa o bit em um circuito elétrico. Essa voltagem pode ser através de um capacitor ou transistor, etc. Um bit quântico é realizado em um sistema mecânico quântico com dois estados distintos, bem como um bit clássico, mas devido à capacidade de superposição de sistemas mecânicos quânticos, um qubit pode existir em um continuum de possibilidades entre 0 e 1. inclusive. states é uma das principais diferenças entre um bit clássico e um bit quântico.

Em resumo, os bits clássicos são um número discreto de estados possíveis é 2 (0 ou 1) e determinísticos: cálculos repetidos na mesma entrada levarão à mesma saída, enquanto qubits têm um número infinito (contínuo) de estados possíveis que são probabilísticos : medições em estados sobrepostos produzem respostas probabilísticas (nossa confiança nessas respostas aumenta através de cálculos repetidos) e depois reduzidas para 0 ou 1.

Tipos de computadores quânticos

Existem várias abordagens para a construção de computadores quânticos. Os tipos mais práticos atualmente são o computador quântico adiabático, a simulação quântica e o computador quântico universal (computador quântico de modelo padrão / de portão).

Recozimento Quântico

Também chamada de computadores quânticos adiabáticos, essa abordagem usa um resultado conhecido como teorema adiabático para realizar cálculos. Eles são mais adequados para a solução de problemas de otimização, onipresentes em todos os setores e que exigem recursos profundos para serem resolvidos pelos métodos clássicos de computação.

O recozimento quântico é a forma menos poderosa e aplicada de maneira mais restrita da computação quântica. De fato, os especialistas concordam que os supercomputadores de hoje podem resolver alguns problemas de otimização a par das máquinas de recozimento quântico de hoje.

Simulação Quântica

Desenvolvimentos no campo da tecnologia quântica sugerem que os simuladores quânticos estão se tornando a primeira aplicação a curto prazo de computadores quânticos. O benefício dos simuladores quânticos deriva do fato de oferecer uma plataforma para testar pensamentos e idéias que envolvem a mecânica quântica
com os quais seus colegas clássicos lutam para lidar, e eles podem oferecer isso com recursos de hardware modestos.

Para construir um processador quântico útil, são necessários requisitos mais rigorosos. Existem vários problemas nos quais os simuladores podem ser empregados imediatamente, como simulação química, descoberta de medicamentos, inteligência artificial, otimização de processos, física de alta energia e física da matéria condensada.

Computador Quântico Universal

O dispositivo mais útil e tecnicamente desafiador a ser construído porque é extremamente específico do hardware. Os computadores quânticos do modelo de porta executam cálculos manipulando estados quânticos via aplicação de portas – um circuito quântico básico operando em vários qubits individuais.

Esses portões quânticos formam blocos de construção de circuitos quânticos de maneira semelhante à forma como os portões lógicos clássicos formam os blocos de construção de circuitos digitais convencionais. Um computador quântico verdadeiramente universal provavelmente usaria mais de 100.000 qubits.

A idéia básica por trás do computador quântico universal é que você pode direcionar a máquina para qualquer computação massivamente complexa e obter uma solução rápida. Isso inclui resolver as equações de recozimento mencionadas acima, simular fenômenos quânticos, possibilitar o aprendizado de máquina mais rápido que o dos computadores clássicos e muito mais.

Os computadores quânticos de hoje incluem milhares de peças que trabalham juntas para aproveitar qubits para realizar cálculos quânticos. Os próprios Qubits são incrivelmente poderosos, mas delicados. Eles perdem rapidamente suas propriedades quânticas especiais, geralmente dentro de 100 microssegundos (para qubits supercondutores de última geração), devido a em parte ao eletromagnetismo, vibrações e flutuações de temperatura do ambiente. Para tornar os computadores quânticos mais confiáveis ​​e estáveis, é necessário combinar harmoniosamente diferentes tecnologias que se complementam.

Por que computação quântica?

A computação quântica é a arte de manipular a evolução temporal de estados quânticos altamente complexos e emaranhados em registros físicos de hardware para computação e simulação. As origens da computação quântica são frequentemente atribuídas à discussão de Feynman de 1982 sobre um simulador quântico universal. É a partir dessa proposta inicial que mais trabalho teórico foi feito para desenvolver algoritmos quânticos, que funcionariam em computadores quânticos universais e permitiriam velocidades de processamento que excederiam os algoritmos clássicos conhecidos.

O desenvolvimento de algoritmos quânticos robustos tem sido um pouco lento, em parte devido ao desafio de recuperar a resposta do nosso computador quântico. Embora, é claro, fosse possível realizar medições repetidas para mapear os estados 2 ^ n completos em nosso sistema quântico, isso levaria tempo exponencial e negaria qualquer economia de tempo do cálculo paralelo. Algoritmos eficazes devem, portanto, encontrar maneiras de mapear os 2 ^ n estados de computação para apenas n estados de medição.

Pode-se, portanto, perguntar; por que estamos tão interessados ​​em computadores quânticos e simuladores quânticos? A resposta básica é que os computadores quânticos têm certos problemas que podem lidar muito mais rapidamente do que os computadores clássicos. Os problemas difíceis não são apenas uma questão de levar algum tempo – a questão é se eles podem ser resolvidos de maneira alguma e eficientemente com os recursos disponíveis.

Devemos observar que, ao enredar maximamente n qubits (coerentemente), podemos criar um sistema quântico que examina simultaneamente todos os elementos dos possíveis 2 ^ n estados contidos no espaço computacional. Com algoritmos apropriados, podemos utilizar esse emaranhado maciço para paralelizar cálculos que só podem ser realizados em um processo serial usando computadores clássicos, realizando assim uma aceleração quântica massiva à medida que os problemas se expandem para conjuntos de dados cada vez maiores.

Uma ilustração muito boa da escala é o famoso problema do trigo e do tabuleiro de xadrez. Se um tabuleiro de xadrez deveria colocar trigo em cada quadrado, de modo que um grão fosse colocado no primeiro quadrado, dois no segundo, quatro no terceiro e assim por diante (dobrando o número de grãos em cada quadrado subsequente), quantos grãos de trigo estaria no tabuleiro de xadrez no final?

O número total de grãos é igual a 18.446.744.073.709.551.615 (1.199.000 milhões de toneladas), enquanto a quantidade global aproximada de trigo produzido em 2016/2017 chegou a cerca de 755 milhões de toneladas.
Isso ilustra a rapidez com que as seqüências exponenciais crescem e justificam a criticidade do espaço 2 ^ n para a operação de um processador quântico.

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O primeiro algoritmo quântico útil foi o algoritmo de Shor proposto em 1994. Esse algoritmo utiliza alguma manipulação inteligente, embora bastante direta, da teoria dos números para transformar o problema da fatoração inteira no problema de encontrar o período de uma função. Embora a fatoração inteira possa não parecer importante para o leigo, ela, juntamente com o logaritmo discreto relacionado, está subjacente a muitos esquemas de criptografia modernos, o mais conhecido dos quais é a criptografia de chave pública RSA (Rivest-Shamir-Adleman). Outros algoritmos quânticos populares incluem o algoritmo Deutsch – Jozsa, o algoritmo de Simon, o algoritmo de Grover (pesquisa um banco de dados não classificado de
tamanho N no tempo O (sqrt [N]), enquanto o melhor computador clássico requer tempo O (N) – classicamente não podemos fazer melhor do que olhar para cada elemento até encontrarmos o elemento certo, levando em média N = 2 vezes) , e algoritmo de estimativa de fase quântica, entre outros. Arquiteturas quânticas mais específicas, como simuladores quânticos, recozedores quânticos e talvez computadores quânticos adiabáticos, também podem oferecer vantagens ao abordar problemas específicos de interesse.
Considere que modelar completamente o comportamento da cafeína, incluindo regras da mecânica quântica que afetam suas partículas individuais, não é atualmente possível em computadores convencionais e pode levar até 160 qubits. Uma única molécula de cafeína é composta de 24 átomos e pode ter 10 ^ 48 estados quânticos (existem apenas 10 ^ 50 átomos que compõem a Terra). Modelar a cafeína com precisão simplesmente não é possível nos computadores clássicos. Usando o supercomputador mais rápido do mundo, seriam necessárias 100.000.000.000.000 de vezes a idade do universo para processar os cálculos de 10 ^ 48 que representam todos os estados possíveis de uma molécula de cafeína. Atualmente, o computador quântico Bristlecone do Google possui 72 qubits, enquanto o IonQ e a IBM possuem computadores com 79 e 50 qubits, respectivamente. Outros players que trabalham nessa tecnologia incluem Microsoft, Intel, Rigetti, D-Wave Systems e Alibaba.

Aplicações da computação quântica
Alguns dos problemas mais difíceis que podem ser resolvidos por computadores quânticos variam de acelerar novas descobertas científicas e melhorar o processo de descoberta de medicamentos, fertilizantes e recursos energéticos sustentáveis, otimizar rotas e cadeias de suprimentos, gerenciar redes elétricas distribuídas, métodos de aprendizado de máquina para diagnosticar doenças mais rapidamente, materiais para criar dispositivos e estruturas mais eficientes, acelerando algoritmos de aprendizado de máquina intensivamente computacionalmente para alocar recursos rapidamente. Atualmente, esses desafios são intratáveis ​​usando computadores clássicos devido ao seu tamanho e complexidade. Nós simplesmente não temos energia computacional suficiente na Terra para enfrentá-los devido à vacilação da Lei de Moore, que afirma que a velocidade do processador ou o poder geral de processamento de computadores dobrará a cada dois anos.

A limitação existente é que, uma vez que os transistores possam ser criados tão pequenos quanto as partículas atômicas, não haverá mais espaço para crescimento no mercado de CPUs no que diz respeito à velocidade. Esse desafio torna a computação quântica mais importante como uma maneira possível de continuar o progresso no setor. À medida que os transistores se aproximam da faixa em nanoescala, os efeitos da mecânica quântica começam a impactar a confiabilidade dos circuitos. O bom é que as excitações quânticas na matéria condensada podem ser aproveitadas para atender às demandas de computação e armazenamento no nível atômico. Para ter a chance de resolver alguns desses problemas, precisamos de um novo tipo de computação. A computação quântica universal utiliza os fenômenos mecânicos quânticos de superposição e emaranhamento para criar estados que escalam exponencialmente com o número de qubits ou bits quânticos, permitindo um processamento paralelo maciço.
O futuro dos computadores quânticos
Não é intenção da computação quântica substituir a computação clássica de alto desempenho. Os computadores quânticos são bons em encontrar soluções ótimas para problemas com um número aparentemente infinito de variáveis, protegendo dados e comunicações sensíveis e simulando com precisão fenômenos quânticos e comportamento molecular.
A computação em nuvem quântica está emergindo como um campo promissor no setor. As plataformas de nuvem quântica poderiam simplificar a programação e fornecer acesso de baixo custo às máquinas quânticas.
Que a computação quântica transformará indústrias não está em dúvida. Agora é uma questão de identificar casos de uso de computação quântica com valor de curto prazo.
“Ninguém sabe para onde iremos no final, mas as pessoas estão começando a ver que, se você pegar (computação quântica) e combiná-lo com a computação clássica de maneiras inteligentes, poderá obter algo que possa parecer viável”. Jeffrey Welser, vice-presidente e diretor de laboratório da IBM Research em Almaden.