Computação Quântica

Computação quântica

A computação quântica é a ciência que estuda as aplicações das teorias e propriedades da mecânica quântica na Ciência da Computação. Dessa forma seu principal foco é o desenvolvimento do computador quântico.

Na computação clássica o computador é baseado na arquitetura de Von Neumann que faz uma distinção clara entre elementos de processamento e armazenamento de dados, isto é, possui processador e memória destacados por um barramento de comunicação, sendo seu processamento sequencial.

Entretanto os computadores atuais possuem limitações, como por exemplo na área de Inteligência Artificial(IA) onde não existem computadores com potência ou velocidade de processamento suficiente para suportar uma IA avançada. Dessa forma surgiu a necessidade da criação de um computador diferente dos usuais que resolvesse problemas de IA, ou outros como a fatoração de números primos muito grandes, logaritmos discretos e simulação de problemas da Física Quântica.

A Lei de Moore afirma que a velocidade de um computador é dobrada a cada 18 meses. Assim sempre houve um crescimento constante na velocidade de processamento dos computadores. Entretanto essa evolução pode atingir um certo limite, um ponto onde não será possível aumentar essa velocidade e então se fez necessário uma revolução significativa na computação para que este obstáculo fosse quebrado. E assim os estudos em Computação Quântica se tornaram muito importantes e a necessidade do desenvolvimento de uma máquina extremamente eficiente se torna maior a cada dia.

História

A pesquisa para o desenvolvimento da computação quântica iniciou-se já na década de 50 quando pensavam em aplicar as leis da física e da mecânica quântica nos computadores. Em 1981 em uma conferencia no MIT o físico Richard Feynman apresentou uma proposta para utilização de sistemas quânticos em computadores, que teriam então uma capacidade de processamento superior aos computadores comuns. Já em 1985, David Deutsch, da Universidade de Oxford, descreveu o primeiro computador quântico, uma Máquina de Turing Quântica, ele simularia outro computador quântico. Depois de Deutsch apenas em 1994 houve notícias da computação quântica, quando em Nova Jersey, no Bell Labs da AT&T, o professor de matemática aplicada Peter Shor desenvolveu o Algoritmo de Shor, capaz de fatorar grandes números numa velocidade muito superior à dos computadores convencionais. Em 1996, Lov Grover, também da Bell Labs, desenvolvedor Speedup, o primeiro algoritmo para pesquisa de base de dados quânticos. Nesse mesmo ano foi proposto um modelo para a correção do erro quântico. Em 1999 no MIT foram construídos os primeiros protótipos de computadores quânticos utilizando montagem térmica. No ano de 2007 surge o Orion, um processador quântico de 16 qubits que realiza tarefas praticas foi desenvolvido pela empresa canadense D-Wave. Em 2011 a D-Wave lançou o primeiro computador quântico para comercialização, o D-Wave One, que possui um processador de 128 qubits. Porém o D-Wave One ainda não é totalmente independente, precisa ser usado em conjunto com computadores convencionais.

Quebras de paradigmas

A computação quântica quebra inúmeros paradigmas da computação clássica, aonde podemos dividir os problemas em "problemas tratáveis" e "problemas intratáveis".

Todos os elementos que mudam as estruturas clássicas vem das mudanças que a física clássica trouxe. Físicos como Heisenberg, Bohr, Schrödinger e Einstein estudaram esses novos fundamentos. Dentre eles podemos destacar:

Sobreposição quântica

Experiência do Gato de Schrödinger

Entrelaçamento quântico ou "Ação fantasmagórica à distância"

Teletransporte quântico

Espalhamento de Rutherford

Existência de multiverso

E foi graças a estes princípios que foi possível o desenvolvimento da Computação Quântica.

Princípios da Computação Quântica

A Mecânica Quântica é considerada a mais bem sucedida teoria física. Pois desde a sua criação até os dias atuais, ela tem sido aplicada em diversos ramos, desde a física de partículas, atômica e molecular até a astrofísica e matéria condensada.

Na computação quântica a unidade de informação básica é o Bit quântico ou q-bit. O fato da computação quântica ser tão poderosa está no fato de que além de assumir '0' ou '1' como na computação clássica, ela pode assumir ambos os estados '0' e '1' ao mesmo tempo. Parece estranho algo assumir os dois estados diferentes ao mesmo tempo, mas a experiência mental do Gato de Schrödinger pode dar um sentido intuitivo à situação. E é graças à essa propriedade da superposição de estados que motivou os estudos em computação quântica. Se na computação clássica o processamento é sequencial, na computação quântica o processamento é simultâneo.

Imagine que uma pessoa precise encontrar o contato de telefone de alguma pessoa em uma lista, na computação clássica é como se ela olhasse em cada nome conferindo se é o contato procurado. Já em um processamento quântico é como se uma pessoa conseguisse conferir vários nomes a cada processamento.

O q-bit é descrito por um vetor estados em um sistema quântico de dois níveis o qual é equivalente a um vetor de espaço bidimensional sobre números complexos. Usa-se a notação de bra-ket para representá-los:

|0\rangle = \begin{bmatrix} 0 \\ 1\end{bmatrix} e |1\rangle = \begin{bmatrix} 1 \\ 0\end{bmatrix}

Assim, o estado de um q-bit pode ser representado por:

| \psi \rangle = \alpha |0 \rangle + \beta |1 \rangle,\,

O conjunto \{ |0\rangle,|1\rangle \} forma uma base no espaço de Hilbert de duas dimensões, chamada de base computacional.

Para a manipulação dos estados quânticos utiliza-se principalmente técnicas ópticas, isto é radiação eletromagnética. Estes dispositivos constituem-se as portas lógicas quânticas. A manipulação pode ser realizada utilizando átomos que podem ser excitados ou não ou os dois ao mesmo tempo. Outro dispositivo utilizado é a manipulação de fótons. A vantagem em utilizá-los está no fato de que esses fótons podem constituir-se portadores altamente estáveis de informação quântica.