O que é a computação quântica?
A computação quântica tem a promessa de 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 capacidades que excedem as dos supercomputadores mais poderosos da atualidade.
Este artigo explica os princípios da computação quântica, como ela se compara à computação clássica e como usa os princípios da mecânica quântica.
História da computação quântica
A ideia de um computador quântico nasceu da dificuldade de simular sistemas quânticos em um computador clássico. Na década de 1980, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram independentemente que o hardware baseado em fenômenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que os computadores convencionais.
Existem muitas formas de entender o porquê da mecânica quântica ser difícil de simular. O mais simples é ver que a matéria, em um nível quântico, está em uma infinidade de configurações possíveis (conhecidas como estados).
Os estados quânticos crescem exponencialmente
Considere um sistema de elétrons onde existem $40$ locais possíveis, onde cada local pode ter ou não um elétron. O sistema, portanto, pode estar em qualquer uma das $configurações 2^{40}$ (uma vez que cada local tem duas configurações possíveis, ou ter um elétron ou estar vazio). Para armazenar o estado quântico dos elétrons em uma memória de computador convencional seria necessário mais de $130$ GB de memória! Se você aumentar o número de locais possíveis para $41$, haveria o dobro de configurações em $2^{41}$ que, por sua vez, exigiria mais $de 260$ GB de memória para armazenar o estado quântico.
Este jogo de aumentar o número de locais não pode ser jogado indefinidamente. Em algumas centenas de elétrons, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo; Assim, não há esperança com os computadores convencionais de simular a dinâmica quântica.
Transformar a dificuldade em oportunidade
A observação desse crescimento exponencial levou os cientistas a fazer uma pergunta poderosa: poderíamos simular sistemas quânticos usando uma máquina que explora exatamente as mesmas leis da física? E poderíamos usar essa máquina para investigar outras tarefas que são cruciais para nós? Essas questões levaram à gênese da Computação Quântica.
Em 1985, David Deutsch mostrou que um computador quântico poderia simular eficientemente o comportamento de qualquer sistema físico. Esta descoberta foi a primeira indicação de que os computadores quânticos poderiam ser usados para resolver problemas que são intratáveis em computadores clássicos.
Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para factoring de números inteiros que funciona exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido. A resolução de factoring torna possível a capacidade de quebrar muitos dos nossos sistemas de criptografia de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrônico hoje, incluindo RSA e criptografia de curva elíptica. Esta descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para muitos outros problemas.
O que é um qubit?
Assim como os bits são o objeto fundamental da informação na computação clássica, os qubits (bits quânticos) são o objeto fundamental da informação na computação quântica.
Um qubit é a unidade básica de informação da computação quântica. Os qubits desempenham uma função semelhante na computação quântica à dos bits na computação clássica, mas comportam-se de forma muito diferente. Os bits clássicos são binários e podem manter apenas uma posição de $0$ ou $1$, mas os qubits podem conter uma superposição de todos os estados possíveis. Isso significa que um qubit pode estar em um estado de 0, 1 ou qualquer superposição quântica dos dois. Existem infinitas superposições possíveis de 0 e 1, e cada uma delas é um estado de qubit válido.
Na computação quântica, a informação é codificada na superposição dos estados 0 e 1. Por exemplo, com 8 bits, você pode codificar $256$ valores diferentes, mas precisa escolher um deles para codificá-lo porque os valores 256 não podem coexistir. Com 8 qubits, você pode codificar os 256 valores ao mesmo tempo. Esse comportamento ocorre porque um qubit pode estar em uma superposição de todos os estados possíveis.
Para obter mais informações, consulte O qubit na computação quântica.
Quais são os requisitos para construir um computador quântico?
Um computador quântico é um computador que tira proveito de fenômenos da mecânica quântica. Os computadores quânticos usam estados quânticos da matéria para armazenar e calcular informações. Podem &citar; Fenômenos&quânticos para fazer as coisas mais rápido ou melhor do que os computadores clássicos.
Construir um computador quântico é um desafio complexo de engenharia que requer uma compreensão profunda da mecânica quântica e a capacidade de controlar sistemas quânticos nas menores escalas. Ao construir um computador quântico, é essencial pensar em como criar os qubits, e também como armazená-los, manipulá-los e ler os resultados dos cálculos.
É por isso que cientistas e engenheiros estão trabalhando em diferentes tecnologias de qubit para construir computadores quânticos, porque cada tecnologia tem suas próprias vantagens e desvantagens. As tecnologias de qubit mais usadas são qubits de íons presos, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubit, a unidade que abriga os qubits é mantida a uma temperatura próxima do zero absoluto para maximizar sua 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 através de vários métodos, incluindo micro-ondas, laser e voltagem.
Os cinco critérios para um computador quântico
Um bom computador quântico deve ter estas cinco características:
- Escalável: Pode ter muitos qubits.
- Inicializável: Ele pode definir os qubits para um estado específico (geralmente o estado 0).
- Resiliente: Pode manter os qubits em estado de superposição por um longo tempo.
- Universal: Um computador quântico não precisa 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 em uma sequência delas.
- Confiável: Ele pode medir os qubits com precisão.
Estes cinco critérios são frequentemente conhecidos como os critérios de Di Vincenzo para computação quântica.
Construir dispositivos que atendam a esses cinco critérios é um dos desafios de engenharia mais exigentes 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.
Compreender os fenómenos quânticos
Os fenômenos quânticos são os princípios fundamentais que diferenciam a computação quântica da computação clássica. Entender esses fenômenos é crucial para entender como os computadores quânticos operam e por que eles possuem tal potencial. Os dois fenômenos quânticos mais importantes são a superposição e o emaranhamento.
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 são estados quânticos válidos de uma partícula quântica, então qualquer combinação linear dos estados também é um estado quântico válido: $\text{estado}=\alpha qubit A + \beta B$.$ $$ $ Esta combinação linear dos estados $quânticos A$ e $B$ é chamada de superposição. Aqui, $\alpha$ e $\beta$ são as amplitudes de probabilidade de $A$ e $B$, respectivamente, tal que $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.
Apenas sistemas quânticos como íons, elétrons ou circuitos supercondutores podem existir nos estados de superposição que permitem o poder da computação quântica. Uma partícula quântica como um elétron tem sua própria propriedade "voltada para a esquerda ou voltada para a direita", ou seja , spin, referido como para cima ou para baixo, então o estado quântico de um elétron é uma superposição de "a; spin up" e &cotação; spin down".
Se você quiser aprender mais e praticar com superposição, consulte Módulo de treinamento: Explore a superposição com Q#.
Entrelaçamento
Emaranhamento é uma correlação quântica entre dois ou mais sistemas quânticos. Quando dois qubits estão entrelaçados, eles estão correlacionados e compartilhando as informações de seus estados de tal forma que o estado quântico de qubits individuais não pode ser descrito independentemente. Com o emaranhamento quântico você só pode conhecer o estado quântico do sistema global, não os estados individuais.
Sistemas quânticos emaranhados mantêm essa correlação mesmo quando separados por grandes distâncias. Isso significa que qualquer operação ou processo que você aplique a um subsistema também se correlaciona com o outro subsistema. Assim, medir o estado de um qubit fornece informações sobre o estado do outro qubit – esta propriedade em particular é muito útil na computação quântica.
Se você quiser saber mais, consulte Tutorial: Explore o entrelaçamento quântico com Q# e, para uma implementação prática, confira Módulo de treinamento: Teletransportar um qubit usando emaranhamento.