Compreender a computação quântica

Artigo
01/13/2024

A computação quântica tem a promessa de resolver alguns dos maiores desafios do nosso planeta - nas áreas do ambiente, agricultura, saúde, energia, clima, ciência dos materiais e muito mais. Para alguns destes problemas, a computação clássica é cada vez mais contestada à medida que o tamanho do sistema cresce. Quando concebidos para dimensionar, é provável que os sistemas quânticos tenham capacidades que excedam as dos supercomputadores mais poderosos da atualidade. À medida que a comunidade global de investigadores quânticos, cientistas, engenheiros e líderes empresariais colabora para promover o ecossistema quântico, esperamos ver o impacto quântico acelerar em todas as indústrias.

Dica

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Porquê utilizar computadores quânticos?

A ideia de um computador quântico nasceu da dificuldade de simular sistemas quânticos num computador clássico. Na edição de 1980, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram de forma independente que o hardware baseado em fenómenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que computadores convencionais.

Existem muitas formas de entender o porquê da mecânica quântica ser difícil de simular. O mais simples é ver que a matéria, a nível quântico, está numa multiplicidade de configurações possíveis (conhecidas como estados).

A computação quântica cresce exponencialmente

Considere um sistema de electrões onde existem $40$ localizações possíveis. Por conseguinte, o sistema pode estar em qualquer uma das configurações de $2^{40}$ (uma vez que cada localização pode ter ou não um electrão). Para armazenar o estado quântico dos electrões numa memória de computador convencional, seria necessário mais de $130$ GB de memória! Se tivéssemos permitido que as partículas ficassem em qualquer uma das 41$ posições, haveria o dobro das $configurações em $2^{41}$ o que, por sua vez, exigiria mais $de 260$ GB de memória para armazenar o estado quântico.

Este jogo de aumento do número de localizações não pode ser jogado indefinidamente. Se quisermos armazenar o estado convencionalmente, excederemos rapidamente as capacidades de memória das máquinas mais poderosas do mundo. A centenas de eletrões, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo; por isso, não é sequer possível que os nossos computadores convencionais consigam sequer simular a dinâmica quântica.

Transformar a dificuldade em oportunidade

A observação deste crescimento exponencial levou-nos a fazer uma pergunta poderosa: podemos transformar esta dificuldade numa oportunidade? Especificamente, se a dinâmica quântica é difícil de simular, o que aconteceria se criássemos um hardware que tivesse efeitos quânticos como operações fundamentais? Poderíamos simular sistemas quânticos de partículas interagindo com uma máquina que explora exatamente as mesmas leis da física? E poderíamos utilizar essas máquinas para investigar outras tarefas que estão ausentes das partículas quânticas, mas que são cruciais para nós? Estas perguntas levaram à génese da Computação Quântica.

Em 1985, David Deutsch mostrou que um computador quântico poderia simular eficientemente o comportamento de qualquer sistema físico. Esta deteção foi a primeira indicação de que os computadores quânticos poderiam ser utilizados para resolver problemas que são intráveis em computadores clássicos.

Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para fatorar números inteiros que são executados exponencialmente mais rapidamente do que o algoritmo clássico mais conhecido. A resolução de fatores possibilita a capacidade de quebrar muitos dos nossos sistemas criptográficos de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrónico atualmente, incluindo RSA e Criptografia de Curva Elíptica. Esta deteção despoletou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para muitos outros problemas.

Desde essa altura, foram desenvolvidos algoritmos de computadores quânticos rápidos e eficientes para muitas das nossas tarefas clássicas difíceis: simular sistemas físicos em química, física e ciência de materiais, procurar uma base de dados não ordenada, resolver sistemas de equações lineares e machine learning.

O que é um qubit?

Tal como os bits são o objeto fundamental das informações na computação clássica, os qubits (bits quânticos) são o objeto fundamental da informação na computação quântica.

Um qubit é a unidade básica de informação na computação quântica. Os qubits desempenham um papel semelhante na computação quântica à medida que os bits são reproduzidos na computação clássica, mas comportam-se de forma muito diferente. Os bits clássicos são binários e só podem conter uma posição de $0$ ou $1$, mas os qubits podem conter uma sobreposição de todos os estados possíveis. Isto significa que um qubit pode estar num estado de $0$, $1$ ou qualquer sobreposição quântica dos dois. Existem infinitas sobreposições possíveis de $0$ e $1$ e cada uma delas é um estado de qubit válido.

Na computação quântica, as informações são codificadas na sobreposição dos estados $0$ e $1$. Por exemplo, com $8$ bits, poderíamos codificar $256$ valores diferentes, mas temos de escolher um deles para o codificar. Com $8$ qubits, podemos codificar os $256$ valores ao mesmo tempo. Este comportamento deve-se ao facto de um qubit poder estar numa sobreposição de todos os estados possíveis.

Para obter mais informações, veja O qubit na computação quântica.

Como criar um computador quântico

Um computador quântico é um computador que tira partido dos fenómenos mecânicos quânticos. Os computadores quânticos utilizam estados quânticos de matéria para armazenar e calcular informações. &Podem citar; citação de programas&; interferência quântica para fazer coisas mais rapidamente ou melhor do que os computadores clássicos.

Ao criar um computador quântico, temos de pensar em como criar os qubits e como armazená-los. Também temos de pensar em como manipulá-los e como ler os resultados dos nossos cálculos.

A maioria das tecnologias de qubit utilizadas são qubits de iões presos, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubits, a unidade que aloja os qubits é mantida a uma temperatura próxima de zero absoluto para maximizar a coerência e reduzir a interferência. Outros tipos de alojamento de qubits utilizam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e a estabilizá-los. Os sinais podem ser enviados para os qubits com uma variedade de métodos, incluindo microondas, laser e tensão.

Os cinco critérios para um computador quântico

Um bom computador quântico deve ter estas cinco funcionalidades:

Dimensionável: Pode ter muitos qubits.
Inicializável: Pode definir os qubits para um estado específico (normalmente, o $estado 0$ ).
Resiliente: Pode manter os qubits no estado de sobreposição durante muito tempo.
Universal: Um computador quântico não precisa de executar 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 numa sequência das mesmas.
Fiável: Pode medir os qubits com precisão.

Estes cinco critérios são frequentemente conhecidos como critérios di Vincenzo para computação quântica.

A construção de dispositivos que cumpram estes cinco critérios é um dos mais exigentes desafios de engenharia já enfrentados pela humanidade. A Microsoft está em parceria com alguns dos melhores fabricantes de computadores quânticos de classe em todo o mundo para lhe dar acesso às soluções de computação quântica mais recentes através do Azure Quantum. Para obter mais informações, veja a lista completa de fornecedores do Azure Quantum.

Para que pode utilizar a computação quântica e o Azure Quantum?

Um computador quântico não é um supercomputador que pode fazer tudo mais rapidamente. Na verdade, um dos objetivos da investigação em computação quântica é estudar quais os problemas que podem ser resolvidos por um computador quântico mais rapidamente do que um computador clássico e quão grande pode ser a aceleração.

Os computadores quânticos dão-se excepcionalmente bem com problemas que exigem o cálculo de um grande número de combinações possíveis. Estes tipos de problemas podem ser encontrados em muitas áreas, como simulação quântica, criptografia, machine learning quântico e problemas de pesquisa.

Para obter as informações mais recentes sobre a pesquisa de computação quântica da Microsoft, consulte a página Computação Quântica da Microsoft Research .

Estimativa de recursos

Os computadores quânticos atualmente disponíveis estão a permitir experimentações e pesquisas interessantes, mas não conseguem acelerar os cálculos necessários para resolver problemas do mundo real. Enquanto a indústria aguarda avanços de hardware, os inovadores de software quântico estão ansiosos para fazer progressos e preparar-se para um futuro quântico. Criar algoritmos hoje em dia que serão eventualmente executados nos computadores quânticos dimensionados tolerantes a falhas de amanhã é uma tarefa assustadora. Estes inovadores são confrontados com questões como que recursos de hardware são necessários? Quantos qubits físicos e lógicos são necessários e que tipo? Quanto tempo é o tempo de execução?

Pode utilizar o Avaliador de Recursos do Azure Quantum para ajudar a responder a estas perguntas. Como resultado, poderá refinar os algoritmos e criar soluções que tiram partido de computadores quânticos dimensionados quando ficarem disponíveis.

Para começar, veja Executar a sua primeira estimativa de recursos.

Saiba mais sobre como avaliar os requisitos para dimensionar para uma vantagem quântica prática com o Avaliador de Recursos do Azure Quantum em arXiv:2211.07629.

Simulação quântica

A mecânica quântica é a citação subjacente &; citação do sistema&operativo, do nosso universo. Descreve como se comportam os blocos modulares fundamentais da natureza. Os comportamentos da natureza, como reacções químicas, reacções biológicas e formações materiais, envolvem frequentemente interações quânticas de muitos corpos. Para simular sistemas mecânicos intrinsecamente quânticos, como moléculas, a computação quântica é promissora, porque os qubits (bits quânticos) podem ser utilizados para representar os estados naturais em questão. Exemplos de sistemas quânticos que podemos modelar incluem fotossíntese, supercondutividade e formações moleculares complexas.

Os Elementos do Azure Quantum foram concebidos de forma propositada para acelerar a deteção científica. Reinvente a produtividade de investigação e desenvolvimento com fluxos de trabalho de simulação otimizados para dimensionamento em clusters de Computação High-Performance do Azure (HPC), computação acelerada por IA, raciocínio aumentado com IA, integração com ferramentas quânticas para começar a experimentar hardware quântico existente e acesso no futuro ao supercomputador quântico da Microsoft. Para obter mais informações, veja Desbloquear o poder do Azure for Molecular Dynamics.

Acelerações quânticas

Um dos objetivos da investigação em computação quântica é estudar quais os problemas que podem ser resolvidos por um computador quântico mais rapidamente do que um computador clássico e quão grande pode ser a aceleração. Dois exemplos conhecidos são o algoritmo de Grover e o algoritmo de Shor, que produzem uma aceleração polinomial e exponencial, respetivamente, sobre os seus equivalentes clássicos.

O algoritmo de Shor em execução num computador quântico pode quebrar esquemas criptográficos clássicos, como o esquema Rivest–Shamir–Adleman (RSA), que é amplamente utilizado no comércio eletrónico para transmissão segura de dados. Este esquema baseia-se na dificuldade prática de fatorar números primos através da utilização de algoritmos clássicos. A criptografia quântica promete segurança da informação ao tirar partido da física básica em vez de pressupostos de complexidade.

Tal como o algoritmo de Shor para fatores, o problema de mudança oculta é uma origem natural de problemas para os quais um computador quântico tem uma vantagem exponencial em relação aos algoritmos clássicos mais conhecidos. Isto pode eventualmente ajudar a resolver problemas de desconvolução e permitir-nos encontrar padrões de forma eficiente em conjuntos de dados complexos. Acontece que um computador quântico pode, em princípio, calcular convoluções a alta velocidade, o que, por sua vez, se baseia na capacidade do computador quântico de calcular transformações Fourier extremamente rapidamente. Na galeria de exemplo da área de trabalho do Azure Quantum, encontrará um exemplo de bloco de notas do Jupyter De Turnos Ocultos (é necessária uma conta do Azure).

O algoritmo de Grover acelera a solução para pesquisas de dados não estruturados, executando a pesquisa em menos passos do que qualquer algoritmo clássico poderia. Na verdade, qualquer problema que lhe permita verificar se um determinado valor $x$ é uma solução válida (uma " Sim ou nenhuma citação de problema&;) pode ser formulada em termos do problema de pesquisa. Seguem-se alguns exemplos:

Problema de satisfibilidade booleana: O conjunto de valores booleanos $x$ é uma interpretação (uma atribuição de valores a variáveis) que satisfaz a fórmula booleana especificada?
Problema do vendedor itinerante: X $$ descreve o ciclo mais curto possível que liga todas as cidades?
Problema de pesquisa da base de dados: a tabela da base de dados contém um registo $x$?
Problema de fatorização de número inteiro: o número $fixo N$ é divisível pelo número $x$?

Para um exame mais aprofundado do algoritmo de Grover, veja o tutorial Implementar o algoritmo de Grover em Q#.

Como é que a computação quântica resolve problemas?

Os computadores quânticos são dispositivos mecânicos quânticos controláveis que exploram as propriedades da física quântica para executar cálculos. Para algumas tarefas computacionais, a computação quântica proporciona aumentos de velocidade exponenciais. Esses aumentos de velocidade são possíveis graças a três fenómenos da mecânica quântica: sobreposição, interferência e intricação.

Sobreposição

Imagine que está a fazer exercício na sala. Vira-se completamente para a esquerda e depois completamente para a direita. Agora, vire-se para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo. É impossível fazê-lo (a não ser que se divida em dois). Obviamente, não pode estar nestes dois estados ao mesmo tempo; não pode olhar para a esquerda e para a direita em simultâneo.

No entanto, se fosse uma partícula quântica, poderia ter uma determinada probabilidade de olhar para a esquerda E uma determinada probabilidade de olhar para a direita devido a um fenómeno chamado sobreposição (também conhecido como coerência).

Ao contrário das partículas clássicas, se dois estados A e B forem estados quânticos válidos de uma partícula quântica, qualquer combinação linear dos estados também é um estado quântico válido: $\text{estado}=\alpha do qubit A + \beta B$.$$$$ Esta combinação linear dos estados quânticos $A$ e $B$ chama-se sobreposição. Aqui, $\alpha$ e $\beta$ são as amplitudes de probabilidade de $A$ e $B$, respetivamente, de tal forma que $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.

Apenas sistemas quânticos como iões, electrões ou circuitos supercondutores podem existir nos estados de sobreposição que permitem o poder da computação quântica. Uma partícula quântica, como um electrão, tem a sua própria propriedade "virada para a esquerda ou virada para a direita", nomeadamente a rotação, referida como para cima ou para baixo, pelo que o estado quântico de um electrão é uma sobreposição de " spin up" e " spin down".

Geralmente, e para torná-lo mais relacionável com a computação binária clássica, se um sistema quântico puder estar em dois estados quânticos, estes estados são referidos como estado 0 e 1.

Qubits e probabilidade

Os computadores clássicos armazenam e processam informações em bits, que podem ter o estado 1 ou 0, mas nunca ambos. O equivalente na computação quântica é o qubit. Um qubit é qualquer sistema quântico que pode estar numa sobreposição de dois estados quânticos, 0 e 1. Cada estado quântico possível tem uma amplitude de probabilidade associada. Só depois de medir um qubit, o seu estado é fechado para o estado 0 ou 1, dependendo da probabilidade associada, pelo que um dos estados possíveis é obtido com uma determinada probabilidade.

A probabilidade de os qubits se colapsarem para um lado ou para o outro é determinada pela interferência quântica. A interferência quântica afeta o estado de um qubit para influenciar a probabilidade de um determinado resultado durante a medição e este estado probabilístico é onde o poder da computação quântica se destaca.

Por exemplo, com dois bits num computador clássico, cada bit pode armazenar 1 ou 0, pelo que, em conjunto, pode armazenar quatro valores possíveis – 00, 01, 10 e 11 –, mas apenas um de cada vez. No entanto, com dois qubits em sobreposição, cada qubit pode ser 1, 0 ou ambos, o que lhe permite representar os mesmos quatro valores em simultâneo. Com três qubits, pode representar oito valores; com quatro, pode representar 16 valores e assim sucessivamente.

Para obter mais informações, veja O qubit na computação quântica.

Entrelaçamento

Um dos fenómenos mais interessantes da mecânica quântica é a capacidade de dois ou mais sistemas quânticos ficarem entrelaçados entre si. O entrelaçamento é uma correlação quântica entre sistemas quânticos. Quando os qubits ficam entrelaçados, formam um sistema global para que o estado quântico de subsistemas individuais não possa ser descrito de forma independente. Dois sistemas estão entrelaçados quando o estado do sistema global não pode ser escrito como uma combinação do estado dos subsistemas, em particular, dois sistemas são entrelaçados quando o estado do sistema global não pode ser escrito como o produto do tensor dos estados dos subsistemas. Um estado de produto não contém correlações.

Os sistemas quânticos entrelaçados mantêm esta correlação mesmo quando separados por grandes distâncias. Isto significa que qualquer operação ou processo que aplique a um subsistema também está correlacionado com o outro subsistema. Uma vez que há uma correlação entre os qubits entrelaçados, medir o estado de um qubit dá informações sobre o estado do outro; esta propriedade em particular é muito útil na computação quântica.

Nota

Nem todas as correlações entre as medições de dois qubits significam que estes estão entrelaçados. Além das correlações quânticas, também existem correlações clássicas. A diferença entre correlações clássicas e quânticas é subtil, mas é essencial para a aceleração fornecida pelos computadores quânticos. Para obter mais informações, veja Compreender as correlações clássicas.

Se quiser saber mais, veja o tutorial Explorar o entrelaçamento quântico com Q#.