O que é computação quântica?
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
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.
Há várias maneiras de entender por que a mecânica quântica é difícil de ser simulada. 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, tendo um elétron ou estando vazio). Para armazenar o estado quântico dos elétrons em uma memória de computador convencional, seriam necessários mais de $130$ GB de memória! Se você aumentar o número de locais possíveis para $41$, haverá o dobro de configurações em $2^{41}$ , o 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. Com algumas centenas de elétrons, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo; portanto, 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 aqueles que usam a 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 de forma eficiente o comportamento de qualquer sistema físico. Essa descoberta foi a primeira indicação de que computadores quânticos poderiam ser usados para resolver problemas intratáveis em computadores clássicos.
Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para fatoração de inteiros que funciona exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido. A resolução de fatoração possibilita a quebra de muitos de nossos criptosistemas de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrônico atualmente, incluindo a RSA e a Criptografia de Curva Elíptica. Essa descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para vários outros problemas.
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.
Um qubit é a unidade básica de informações na computação quântica. Os qubits desempenham uma função semelhante na computação quântica àquela executada pelos bits na computação clássica, mas eles se comportam de modo muito diferente. Os bits clássicos são binários e podem manter apenas uma posição de $0$ ou $1$, mas os qubits podem manter 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. Há 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 256 valores 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 dos fenômenos da mecânica quântica. Os computadores quânticos usam estados quânticos da matéria para armazenar e computar informações. Eles podem &citar; programa" fenômenos quânticos para fazer as coisas mais rápido ou melhor do que os computadores clássicos.
Construir um computador quântico é um desafio de engenharia complexo 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 em 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 qubits, a unidade que abriga os qubits é 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 uma variedade de métodos, incluindo micro-ondas, laser e voltagem.
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).
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: $\text{estado}=\alpha qubit A + \beta B$.$ $$ $ Essa 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, tais que $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.
Somente sistemas quânticos, como circuitos supercondutores, elétrons ou íons, podem existir nos estados de sobreposição que possibilitam o poder da computação quântica. Uma partícula quântica, como um elétron, tem sua própria propriedade "voltada para a esquerda ou para a direita", ou seja , spin, conhecida como para cima ou para baixo, então o estado quântico de um elétron é uma superposição de " girar para cima" e " spin down".
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 Tutorial: Explorar o emaranhamento quântico com Q#e, para obter uma implementação prática, confira Módulo de treinamento: Teletransportar um qubit usando o emaranhamento.