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Computação cuántica

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A esfera de Bloch é uma representação de um qubit, o bloco de construção fundamental dos computadores cuánticos.

A computação cuántica é um paradigma de computação diferente ao da computação clássica. Baseia-se no uso de qubits em lugar de bits, e dá lugar a novas portas lógicas que fazem possíveis novos algorítmos. Uma mesma tarefa pode ter diferente complexidade em computação clássica e em computação cuántica, o que tem dado lugar a uma grande expectación, já que alguns problemas intratables passam a ser tratables. Enquanto um computador clássico equivale a uma máquina de Turing, um computador cuántico equivale a uma máquina de Turing indeterminista.

A empresa canadiana D-Wave Systems tinha supostamente apresentado o 13 de fevereiro de 2007 em Silicon Valley, um primeiro computador cuántica comercial de 16-qubits de propósito geral; logo a mesma companhia admitiu que tal máquina, telefonema Orion, não é realmente um computador cuántica, senão uma classe de máquina de propósito geral que usa algo de mecânica cuántica para resolver problemas. [cita requerida]

Conteúdo

Origem da computação cuántica

À medida que evolui a tecnologia, aumenta a escala de integração e cabem mais transistores no mesmo espaço; assim se fabricam microchips a cada vez mais pequenos, e é que, quanto mais pequeno é, maior velocidade de processo atinge o chip. No entanto, não podemos fazer os chips infinitamente pequenos. Há um limite no qual deixam de funcionar correctamente. Quando se chega à escala de nanómetros, os elétrons se escapam dos canais por onde devem circular. A isto se lhe chama efeito túnel. Uma partícula clássica, se encontra-se com um obstáculo, não pode o atravessar e rebota. Mas com os elétrons, que são partículas cuánticas e se comportam como ondas, existe a possibilidade de que uma parte deles possa atravessar as paredes se são demasiado finas; desta maneira o sinal pode passar por canais onde não deveria circular. Por isso, o chip deixa de funcionar correctamente. Em consequência, a computação digital tradicional não demoraria em chegar a seu limite, já que já se chegou a escalas de só algumas dezenas de nanómetros. Surge então a necessidade de descobrir novas tecnologias e é aí onde entra a computação cuántica.

A ideia de computação cuántica surge em 1981, quando Paul Benioff expôs sua teoria para aproveitar as leis cuánticas no meio da computação. Em vez de trabalhar a nível de voltajes eléctricos, trabalha-se a nível de quanto. Na computação digital, um bit só pode tomar dois valores: 0 ou 1. Em mudança, na computação cuántica, intervêm as leis da mecânica cuántica, e a partícula pode estar em sobreposição coerente: pode ser 0, 1 e pode ser 0 e 1 ao mesmo tempo (dois estados ortogonais de uma partícula subatómica). Isso permite que se possam realizar várias operações ao mesmo tempo, segundo o número de qubits.

O número de qubits indica a quantidade de bits que podem estar em sobreposição. Com os bits convencionais, se tínhamos um registo de três bits, tinha oito valores possíveis e o registo só podia tomar um desses valores. Em mudança, se temos um vetor de três qubits, a partícula pode tomar oito valores diferentes ao mesmo tempo graças à sobreposição cuántica. Assim, um vetor de três qubits permitiria um total de oito operações paralelas. Como cabe esperar, o número de operações é exponencial com respeito ao número de qubits. Para fazer-se uma ideia do grande avanço, um computador cuántico de 30 qubits equivaleria a um processador convencional de 10 teraflops (milhões de milhões de operações em coma flutuante por segundo), quando actualmente os computadores trabalham na ordem de gigaflops (milhares de milhões de operações).

Problemas da computação cuántica

Um dos obstáculos principais para a computação cuántica é o problema da decoherencia cuántica, que causa a perda do caracter unitário (e, mais especificamente, a reversibilidad) dos passos do algorítmo cuántico. Os tempos de decoherencia para os sistemas candidatos, em particular o tempo de relajación transversal (na terminología usada na tecnologia de ressonância magnética nuclear e imaginería por ressonância magnética) está tipicamente entre nanosegundos e segundos, a temperaturas baixas. As taxas de erro são tipicamente proporcionais à razão entre tempo de operação em frente a tempo de decoherencia, de forma que qualquer operação deve ser completada em um tempo bem mais corto que o tempo de decoherencia. Se a taxa de erro é o bastante baixa, é possível usar eficazmente a correcção de erros cuánticos, com o qual si seriam possíveis tempos de cálculo mais longos que o tempo de decoherencia e, em princípio, arbitrariamente longos. Cita-se com frequência uma taxa de erro limite de 10-4, por embaixo da qual se supõe que seria possível a aplicação eficaz da correcção de erros cuánticos.

Outro dos problemas principais é a escalabilidad, especialmente tendo em conta o considerável incremento em qubits necessários para qualquer cálculo que implica a correcção de erros. Para nenhum dos sistemas actualmente propostos é trivial um desenho capaz de manejar um número o bastante alto de qubits para resolver problemas computacionalmente interessantes hoje em dia.

Hardware para computação cuántica

Ainda não se resolveu o problema de que hardware seria o ideal para a computação cuántica. Definiu-se uma série de condições que deve cumprir, conhecida como a lista de Dei Vinzenzo, e há vários candidatos actualmente.

Condições a cumprir

Candidatos

Processadores

Em 2004 , cientistas do Instituto de Física aplicada da Universidade de Bonn publicaram resultados sobre um registo cuántico experimental. Para isso utilizaram átomos neutros que armazenam informação cuántica, pelo que são chamados qubits por analogia com os bits. Seu objectivo actual é construir uma porta cuántica, com o qual ter-se-iam os elementos básicos que constituem os processadores, que são o coração dos computadores actuais. Cabe destacar que um chip de tecnologia VLSI contém actualmente mais de 100.000 portas, de maneira que seu uso prático ainda se apresenta em um horizonte longínquo.

Transmissão de dados

Cientistas dos laboratórios Max Planck e Niels Bohr publicaram, em novembro de 2005, na revista Nature, resultados sobre a transmissão de informação cuántica, usando a luz como veículo, a distâncias de 100 km. Os resultados dão níveis de sucesso nas transmissões de 70%, o que representa um nível de qualidade que permite utilizar protocolos de transmissão com autocorrección.

Actualmente trabalha-se no desenho de repetidores, que permitiriam transmitir informação a distâncias maiores às já atingidas.

Software para computação

Algorítmos cuánticos

Os algorítmos cuánticos baseiam-se em uma margem de erro conhecido nas operações de base e trabalham reduzindo a margem de erro a níveis exponencialmente pequenos, comparáveis ao nível de erro das máquinas actuais.

Modelos

Complexidade

A classe de complexidade BQP estuda o custo dos algorítmos cuánticos com baixa margem de erro.

Problemas propostos

Sugeriu-se o uso da computação cuántica como alternativa superior à computação clássica para vários problemas, entre eles:

Cronología

Anos 80

A começos da década dos 80, começaram a surgir as primeiras teorias que apontavam à possibilidade de realizar cálculos de natureza cuántica.

1981 - Paul Benioff

As ideias essenciais da computação cuántica surgiram da mente de Paul Benioff que trabalhava no Argone National Laboratory em Illinois (EE.UU.). Teorizó um computador tradicional (máquina de Turing) operando com alguns princípios da mecânica cuántica.

1981-1982 Richard Feynman

O Dr. Richard Feynman, físico do Califórnia Institute of Technology em Califórnia (EE.UU.) e ganhador do prêmio Nobel em 1965 realizou uma conferência durante o “First Conference on the Physics of Computation” realizado no Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.) Seu charla, baixo o título de “Simulating Physics With Computers" propunha o uso de fenómenos cuánticos para realizar cálculos computacionales e expunha que dada sua natureza alguns cálculos de grande complexidade realizar-se-iam mais rapidamente em um computador cuántico.

1985 - David Deutsch

Este físico israelita da Universidade de Oxford, Inglaterra, descreveu o primeiro computador cuántico universal, isto é, capaz de simular qualquer outro computador cuántico (princípio de Church-Turing ampliado). Deste modo surgiu a ideia de que um computador cuántico poderia executar diferentes algorítmos cuánticos.

Anos 90

Nesta época a teoria começou a plasmarse na prática: apareceram os primeiros algorítmos cuánticos, as primeiras aplicações cuánticas e as primeiras máquinas capazes de realizar cálculos cuánticos.

1993 - Dão Simon

Desde o departamento de investigação de Microsoft (Microsoft Research), surgiu um problema teórico que demonstrava a vantagem prática que teria um computador cuántico em frente a um tradicional. Comparou o modelo de probabilidade clássica com o modelo cuántico e suas ideias serviram como base para o desenvolvimento de alguns algorítmos futuros (como o de Shor).

1993 - Charles Benett

Este trabalhador do centro de investigação de IBM em Nova York descobriu o teletransporte cuántico e que abriu uma nova via de investigação para o desenvolvimento de comunicações cuánticas.

1994-1995 Peter Shor

Este cientista estadounidense de AT&T Bell Laboratories definiu o algorítmo que leva seu nome e que permite calcular os factores primos de números a uma velocidade muito maior que em qualquer computador tradicional. Ademais seu algorítmo permitiria romper muitos dos sistemas de criptografía utilizados actualmente. Seu algorítmo serviu para demonstrar a uma grande parte da comunidade científica que observava incrédula as possibilidades da computação cuántica, que se tratava de um campo de investigação com um grande potencial. Ademais, em um ano mais tarde, propôs um sistema de correcção de erros no cálculo cuántico.

1996 - Lov Grover

Inventou o algorítmo de busca de dados que leva seu nome. Ainda que a aceleração conseguida não é tão drástica como nos cálculos factoriais ou em simulações físicas, sua faixa de aplicações é muito maior. Ao igual que o resto de algorítmos cuánticos, se trata de um algorítmo probabilístico com um alto índice de acerto.

1997 - Primeiros experimentos

Em 1997 iniciaram-se os primeiros experimentos práticos e abriram-se as portas para começar a implementar todos aqueles cálculos e experimentos que tinham sido descritos teoricamente até então. O primeiro experimento de comunicação segura usando criptografía cuántica realiza-se com sucesso a uma distância de 23 Km. Ademais realiza-se o primeiro teletransporte cuántico de um fotón.

1998 - 1999 Primeiros Qbit

Pesquisadores dos Álamos e o Instituto Tecnológico de Massachusets conseguem propagar o primeiro Qbit através de uma solução de aminoácidos. Supôs o primeiro passo para analisar a informação que transporta um Qbit. Durante esse mesmo ano, nasceu a primeira máquina de 2-Qbit, que foi apresentada na Universidade de Berkeley, Califórnia (EE.UU.) Em um ano mais tarde, em 1999, nos laboratórios de IBM-Almaden, criou-se a primeira máquina de 3-Qbit e ademais foi capaz de executar pela primeira vez o algorítmo de busca de Grover.

Ano 2000 até agora

2000 - Continuam os progressos

De novo IBM, dirigido por Isaac Chuang (Figura 4.1), criou um computador cuántico de 5-Qbit capaz de executar um algorítmo de busca de ordem, que faz parte do Algorítmo de Shor. Este algorítmo executava-se em um simples passo quando em um computador tradicional requereria de numerosas iterações. Nesse mesmo ano, cientistas dos Álamos National Laboratory (EE.UU) anunciaram o desenvolvimento de um computador cuántico de 7-Qbit. Utilizando um resonador magnético nuclear conseguem-se aplicar pulsos electromagnéticos e permite emular a codificação em bits dos computadores tradicionais.

2001 - O algorítmo de Shor executado

IBM e a Universidade de Stanford, conseguem executar pela primeira vez o algorítmo de Shor no primeiro computador cuántico de 7-Qbit desenvolvido nos Álamos. No experimento calcularam-se os factores primos de 15, dando o resultado correcto de 3 e 5 utilizando para isso 1018 moléculas, a cada uma delas com 7 átomos.

2005 - O primeiro Qbyte

O Instituto de “Quantum Optics and Quantum Information” na universidade de Innsbruck (Áustria) anunciou que seus cientistas tinham criado o primeiro Qbyte, uma série de 8 Qbits utilizando armadilhas de iones.

2006 - Melhoras no controle do quanto

Cientistas em Waterloo e Massachusetts desenham métodos para melhorar o controle do quanto e conseguem desenvolver um sistema de 12-Qbits. O controle do quanto faz-se a cada vez mais complexo à medida que aumenta o número de Qbits empregados pelos computadores.

2007 - D-Wave

A companhia canadiana D-Wave apresenta publicamente seu primeiro computador cuántico de 16 Qbit. Entre as aplicações que apresenta para seu sistema, se encontra um sistema gestor de banco# de dados e um algorítmo que soluciona Sudokus. Todo isso através de uma interface gráfica similar à utilizada nos computadores actuais, se tratando da primeira aproximação da computação cuántica ao mundo comercial e não tão científico.

2007 - Autocarro cuántico

Em setembro de 2007, duas equipas de investigação estadounidenses, o National Institute of Standards (NIST) de Boulder e a Universidade de Yale em New Haven conseguiram unir componentes cuánticos através de superconductores. Deste modo aparece o primeiro autocarro cuántico, e este dispositivo ademais pode ser utilizado como memória cuántica, retendo a informação cuántica durante um curto espaço de tempo dantes de ser transferido ao seguinte dispositivo.

2008 - Armazenamento

Segundo a Fundação Nacional de Ciências (NSF) dos EEUU, uma equipa de cientistas conseguiu armazenar pela primeira vez um Qubit (o equivalente a um "bit" do "mundo clássico", mas no "mundo cuántico") no interior do núcleo de um átomo de fósforo, e puderam fazer que a informação permanecesse intacta durante 1.75 segundos. Este período pode ser expansible mediante métodos de correcção de erros, pelo que é um grande avanço no armazenamento de informação.

2009 - Processador cuántico de estado sólido

A equipa de pesquisadores estadounidense dirigido pelo professor Robert Schoelkopf, da universidade de Yale, que já em 2007 tinha desenvolvido o Autocarro cuántico, cria agora o primeiro processador cuántico de estado sólido, mecanismo que se assemelha e funciona de forma similar a um microprocesador convencional, ainda que com a capacidade de realizar só umas poucas tarefas muito simples, como operações aritméticas ou buscas de dados. Para a comunicação no dispositivo, esta se realiza mediante fotones que se deslocam sobre o autocarro cuántico, circuito electrónico que armazena e mede fotones de microondas, aumentando o tamanho de um átomo artificialmente.

Veja-se também

Enlaces externos


Bibliografía

Obtido de http://ks312095.kimsufi.com../../../../articles/a/n/d/Andorra.html"
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