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A computação quântica promete resolver alguns dos maiores desafios do nosso planeta - nas áreas de meio ambiente, agricultura, saúde, energia, clima, ciência dos materiais e muito mais. Para alguns desses problemas, a computação clássica é cada vez mais desafiada à medida que o tamanho do sistema cresce. Quando projetados para escalar, os sistemas quânticos provavelmente terão recursos que excedem os dos supercomputadores mais poderosos de hoje.
Este artigo explica os princípios da computação quântica, como ela se compara à computação clássica e como ela usa os princípios da mecânica quântica.
História da computação quântica
Sistemas quânticos, como átomos e moléculas, podem ser difíceis ou impossíveis de simular em um computador clássico. Na anos 80, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram que hardware baseado em fenômenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que computadores convencionais.
Há vários motivos pelos quais os sistemas quânticos são difíceis de simular em computadores regulares. Um dos principais motivos é que a matéria, em um nível quântico, é descrita como uma combinação de várias configurações (conhecidas como estados) ao mesmo tempo.
Estados quânticos crescem exponencialmente
Considere um sistema de partículas e 40 locais possíveis onde essas partículas podem existir. O sistema pode estar em qualquer um dos $2^{40}$ estados exclusivos porque cada local pode ter ou não uma partícula. Se forem partículas clássicas, o sistema estará sempre em apenas um dos $2^{40}$ estados, portanto, um computador clássico precisa de apenas 40 bits para descrever o estado do sistema. Mas se forem partículas quânticas, o sistema existirá em uma combinação de todos os $2^{40}$ estados. Um computador clássico precisa armazenar $2^{40}$ números para descrever o sistema quântico, que requer mais de 130 GB de memória. No entanto, um computador quântico precisa de apenas 40 bits quânticos para descrever esse sistema quântico.
Se adicionarmos outro local ao sistema para que os elétrons possam existir em 41 locais, o número de configurações exclusivas do sistema dobrará para $2^{41}$. Seriam necessários mais de 260 GB de memória para armazenar esse estado quântico em um computador clássico. Não podemos jogar este jogo de aumentar o número de locais para sempre. Para armazenar um estado quântico em um computador convencional, você excede rapidamente as capacidades de memória das máquinas mais poderosas do mundo. Em algumas centenas de elétrons, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo. Não há esperança com nossos computadores convencionais de simular completamente a dinâmica quântica para sistemas maiores!
Transformar a dificuldade em oportunidade
A observação desse crescimento exponencial colocou uma questão poderosa: é possível transformar essa dificuldade em uma oportunidade? Se os sistemas quânticos forem difíceis de simular em computadores regulares, o que aconteceria se criarmos uma máquina que usa efeitos quânticos para suas operações fundamentais? Poderíamos simular sistemas quânticos com uma máquina que explora exatamente as mesmas leis da física? E poderíamos usar essa máquina para investigar outros problemas importantes fora da mecânica quântica? Esses são os tipos de perguntas que deram origem aos campos de informações quânticas e computação quântica.
Em 1985, David Deutsch mostrou que um computador quântico poderia simular de forma eficiente o comportamento de qualquer sistema físico. Essa descoberta foi a primeira indicação de que os computadores quânticos poderiam ser usados para resolver problemas que são muito difíceis de resolver em computadores clássicos.
Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para encontrar os principais fatores de inteiros grandes. O algoritmo de Shor é executado exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido para esse problema de fatoramento. Um algoritmo tão rápido poderia potencialmente quebrar muitos dos nossos modernos sistemas de criptografia de chave pública que usamos para proteger transações no comércio eletrônico, como Rivest–Shamir–Adleman (RSA) e Criptografia de Curva Elíptica. Essa descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para vários outros problemas.
Desde então, algoritmos de computador quântico rápidos e eficientes foram desenvolvidos para outros problemas difíceis de resolver em computadores clássicos. Por exemplo, agora temos algoritmos quânticos para pesquisar um banco de dados não ordenado, resolver sistemas de equações lineares, executar aprendizado de máquina e simular sistemas físicos em química, física e ciência de materiais.
O que é um qubit?
Assim como os bits são o objeto fundamental das informações na computação clássica, qubits (bits quânticos) são o objeto fundamental das informações na computação quântica.
Os qubits desempenham um papel semelhante na computação quântica ao que os bits desempenham na computação clássica, mas os qubits se comportam de maneira diferente dos bits. Os bits clássicos são binários e, a qualquer momento, podem estar em apenas um dos dois estados, 0 ou 1. Mas os qubits podem estar em uma superposição de 0 e 1 estados ao mesmo tempo. Na verdade, há infinitas superposições possíveis de 0 e 1, e cada uma delas é um estado de qubit válido.
Na computação quântica, as informações são codificadas em superposições dos estados 0 e 1. Por exemplo, 8 bits regulares podem codificar até 256 valores exclusivos, mas esses 8 bits só podem representar um dos 256 valores por vez. Com 8 qubits, poderíamos codificar todos os 256 valores ao mesmo tempo, pois os qubits podem estar em uma superposição de todos os 256 estados possíveis.
Para obter mais informações, consulte O qubit na computação quântica.
Quais são os requisitos para construir um computador quântico?
Um computador quântico usa sistemas quânticos e as propriedades da mecânica quântica para resolver problemas computacionais. Os sistemas em um computador quântico consistem nos qubits, nas interações entre qubits e nas operações nos qubits para armazenar e computar informações. Podemos usar computadores quânticos para programar efeitos como emaranhamento quântico e interferência quântica para resolver com precisão determinados problemas mais rápido do que em computadores clássicos.
Para criar um computador quântico, precisamos considerar como criar e armazenar os qubits. Também precisamos pensar em como manipular os qubits e como medir os resultados de nossos cálculos.
As tecnologias de qubit populares incluem qubits de íon aprisionado, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubits, a unidade que abriga os qubits deve ser mantida a uma temperatura próxima de zero absoluto para maximizar sua coerência e reduzir a interferência. Outros tipos de hospedagem de qubits usam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e estabilizar os qubits. Os sinais podem ser enviados para os qubits por meio de vários métodos, como microondas, lasers ou voltagens.
Os cinco critérios de um computador quântico
Um bom computador quântico deve ter estas cinco características:
- Escalonável: Ele pode ter vários qubits.
- Inicializável: Ele pode definir os qubits para um estado específico (geralmente o estado 0).
- Resiliente: Ele pode manter os qubits no estado de superposição por um longo tempo.
- Universal: Um computador quântico não precisa realizar todas as operações possíveis, apenas um conjunto de operações chamado conjunto universal. Um conjunto de operações quânticas universais é tal que qualquer outra operação pode ser decomposta em uma sequência delas.
- Confiável: Ele pode medir os qubits com precisão.
Esses cinco critérios são frequentemente conhecidos como critérios de Di Vincenzo para computação quântica.
Construir dispositivos que atendam a esses cinco critérios é um dos desafios de engenharia mais complicados já enfrentados pela humanidade. O Azure Quantum oferece uma variedade de soluções de computação quântica com diferentes tecnologias de qubit. Para obter mais informações, consulte a lista completa de provedores do Azure Quantum.
Entenda os fenômenos quânticos
Os fenômenos quânticos são os princípios fundamentais que diferenciam a computação quântica da computação clássica. Compreender esses fenômenos é crucial para entender como os computadores quânticos operam e por que eles têm tanto potencial. Os dois fenômenos quânticos mais importantes são superposição e emaranhamento.
Superposição
Imagine que você esteja fazendo exercícios físicos na sua sala de estar. Você gira todo o corpo para a esquerda e, em seguida, para a direita. Agora, você gira para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo. Você não pode fazer isso (sem se dividir em dois, pelo menos). Obviamente, você não pode estar nesses dois estados ao mesmo tempo; não é possível estar voltado para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo.
No entanto, se você for uma partícula quântica, poderá haver uma certa probabilidade de estar voltado para a esquerda E uma certa probabilidade de estar voltado para a direita, devido a um fenômeno conhecido como superposição (também conhecido como coerência).
Somente sistemas quânticos como íons, elétrons ou circuitos supercondutores podem existir nos estados de superposição que permitem o poder da computação quântica. Por exemplo, os elétrons são partículas quânticas que possuem uma propriedade chamada "spin", que pode ser "virado para a esquerda ou para a direita". Os dois estados de rotação são chamados de girar para cima e girar para baixo, e o estado quântico de um elétron é uma superposição dos estados de rotação e rotação para baixo.
Se você quiser saber mais e praticar com a superposição, consulte Módulo de treinamento: Explorar a superposição com Q#.
Emaranhamento
O emaranhamento é uma correlação quântica entre dois ou mais sistemas quânticos . Quando dois qubits estão emaranhados, eles estão correlacionados e compartilhando as informações de seus estados, de modo que o estado quântico de qubits individuais não pode ser descrito de forma independente. Com o emaranhamento quântico, você só pode conhecer o estado quântico do sistema global, não os estados individuais.
Os sistemas quânticos emaranhados mantêm essa correlação mesmo quando separados em grandes distâncias. Isso significa que qualquer operação ou processo que você aplicar a um subsistema correlacionará aos outros subsistemas também. Assim, medir o estado de um qubit fornece informações sobre o estado do outro qubit – essa propriedade específica é muito útil na computação quântica.
Se você quiser saber mais, consulte Q#e, para obter uma implementação prática, confira Módulo de treinamento: Teletransportar um qubit usando o emaranhamento.