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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
Sistemas quânticos, como átomos e moléculas, podem ser difíceis ou impossíveis de simular em um computador clássico. Na década de 1980, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram que o hardware baseado em fenômenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que os computadores convencionais.
Existem várias razões pelas quais os sistemas quânticos são difíceis de simular em computadores comuns. Uma razão principal é que a matéria, em um nível quântico, é descrita como uma combinação de várias configurações (conhecidas como estados) ao mesmo tempo.
Os 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 únicos porque cada local pode ter ou não uma partícula. Se estas são partículas clássicas, então o sistema está sempre em apenas um dos $2^{40}$ estados, então um computador clássico precisa de apenas 40 bits para descrever o estado do sistema. Mas se estas são partículas quânticas, então o sistema existe 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 este sistema quântico.
Se adicionarmos outro local ao sistema para que os elétrons possam existir em 41 locais, então o número de configurações únicas do sistema dobra 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. Com 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 deste crescimento exponencial colocou uma questão poderosa: é possível transformar esta dificuldade numa oportunidade? Se os sistemas quânticos são difíceis de simular em computadores comuns, o que aconteceria se construíssemos 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? Estes são os tipos de questões que deram origem aos campos da informação quântica e 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 muito difíceis de resolver em computadores clássicos.
Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para encontrar os fatores primos de números inteiros grandes. O algoritmo de Shor é executado exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido para este problema de factoring. 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 Elliptic Curve Cryptography. Esta descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para muitos outros problemas.
Desde então, algoritmos de computador quântico rápidos e eficientes foram desenvolvidos para outros problemas que são difíceis de resolver em computadores clássicos. Por exemplo, agora temos algoritmos quânticos para pesquisar um banco de dados não ordenado, para resolver sistemas de equações lineares, para realizar aprendizado de máquina e para simular sistemas físicos em química, física e ciência dos materiais.
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.
Qubits desempenham um papel semelhante na computação quântica como os bits desempenham na computação clássica, mas qubits se comportam de forma 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 dos estados 0 e 1 ao mesmo tempo. Na verdade, 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 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 de cada vez. Com 8 qubits, poderíamos codificar todos os 256 valores ao mesmo tempo, porque 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 calcular informações. Podemos usar computadores quânticos para programar efeitos como emaranhamento quântico e interferência quântica para resolver com precisão certos problemas mais rapidamente do que em computadores clássicos.
Para construir 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 íons presos, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubit, a unidade que abriga os qubits deve ser 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, como micro-ondas, lasers ou tensões.
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. Não o consegues fazer (pelo menos, não sem te dividir 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).
Apenas sistemas quânticos como íons, elétrons ou circuitos supercondutores podem existir nos estados de superposição que permitem o poder da computação quântica. Por exemplo, os eletrões são partículas quânticas que têm a sua própria propriedade "para a esquerda ou para a direita", chamada spin. Os dois estados de spin são chamados spin up e spin down, e o estado quântico de um elétron é uma superposição dos estados spin up e 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.