Computação Quântica: Coisas que eu pensava ter entendido – mas não

Jayanta Kshirsagar 14 de dezembro Computador quântico IBM 50 qubit – Fonte da imagem: https://s.blogcdn.com/slideshows/images/slides/720/684/5/S7206845/slug/l/ibm1-1.jpg

H av Você já ouviu uma piada como “Uma vez que o gato de Schrodinger entra num bar e que não funciona.” E, em seguida, perguntou o que isso significa? Vamos falar brevemente sobre o experimento de gato de Schrodinger, é um experimento mental em que você coloca um gato em uma caixa de alumínio e coloca comida de gato misturada com veneno. Agora feche a caixa. O que aconteceria com o gato? Gato pode comer a comida e morrer por causa de envenenamento ou gato pode não estar com fome e ainda estaria vivo. A menos que abrimos a caixa, não viríamos a saber nada sobre o gato, então até que a caixa seja fechada, o gato está morto e vivo ao mesmo tempo.

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Antes de começarmos com a computação quântica, vamos primeiro falar rapidamente sobre a necessidade da computação quântica. Como afirma a lei de Moore , o número de transistores em uma CPU dobra a cada dois anos e, para obter mais velocidade, precisamos de mais transistores. Dada a situação atual, o tamanho dos transistores diminuiu tanto que é difícil reduzi-lo ainda mais. À medida que avançamos, estamos gerando mais e mais dados, o que cria um número exponencial de possibilidades e precisamos de mais poder computacional para processar e analisar esses dados. Além disso, existem certos problemas, como os combinatórios, que são difíceis de resolver, dados nossos algoritmos clássicos de computação. Mesmo usando super computador, não podemos ter certeza de quando o programa terminará e também não seremos capazes de dizer se terminará ou não.

Do jeito que temos bits em computadores clássicos, computadores quânticos similares possuem qubits , que também são conhecidos como Quantum Bits. Estes qubits são implementados usando átomos artificiais mantidos em temperatura muito baixa. Em tamanho tão pequeno, os átomos não seguem as leis de nossos dias hoje em dia. Seu comportamento é governado por leis da física quântica. Vamos brevemente percorrer os princípios.

Princípios Quânticos

  1. Superposição – Os átomos podem estar no estado aterrado e excitado ao mesmo tempo, o mesmo princípio é aplicado aos qubits, já que eles podem exibir dois estados ao mesmo tempo. Digamos que, se apostarmos uma moeda, em um mundo binário, a moeda seria de cabeça ou cauda, mas como a moeda está no movimento, ela não é nem cabeça nem cauda, mas ambas. O que significaria que qubit estaria tendo os valores 1 e 0 ao mesmo tempo e uma função aplicada no qubit seria avaliada para ambos os estados.
  2. Emaranhamento – Na proximidade, os átomos retratam um comportamento emaranhado. O estado de um átomo pode ser facilmente previsto com base no estado de outra partícula. Para explicar esse fenômeno, vamos dar um exemplo, temos uma urna que tem duas bolas do mesmo tamanho, mas cores diferentes, que são preto e branco. Agora, se você e seu amigo desenham um e vão para casa sem olhar para as bolas. Quando chegar em casa, você vê a bola e, ao mesmo tempo, sem sequer olhar para outra, você sabe de que cor a bola tem seu amigo. Isso pode ser visto como transferência de informação mais rápida que a velocidade da luz e não precisamos medir e ainda poderíamos prever com 100% de probabilidade.
  3. Interferência – Como sabemos, os átomos também descrevem o comportamento das ondas, e as ondas podem formar interferências construtivas e destrutivas, e esses padrões de interferência podem ser usados para obter a saída. Quando queremos uma saída específica, podemos formar uma interferência construtiva e aumentar a probabilidade de ler o valor como uma saída e, ao mesmo tempo, podemos mascarar outros valores, causando interferência destrutiva.
  4. Medição quântica – Com os sistemas quânticos, o ato de observar ou medir a saída altera o estado do sistema. O que significa que, se lermos o valor do qubit, o estado de superposição entra em colapso e o qubit se comporta como um bit comum. Esses qubits são como aqueles pergaminhos de filmes que uma vez lidos destroem a si mesmos.
  5. Paralelismo quântico – Quando executamos uma função em paralelo, digamos que em 'n' bits obtemos n combinações, mas nós executamos a mesma função em 'n' qubits e como cada qubit representa dois estados, podemos explorar 2 ^ n estados ao mesmo tempo . O que reduz drasticamente a complexidade do algoritmo e nos permite calcular e resolver problemas exponenciais.

Portões quânticos

Como discutimos acima, temos qubits da maneira como temos bits na computação clássica, da mesma forma que temos portas quânticas que podem ser usadas para operar nesses qubits. Usamos vetores para representar qubits, uma vez que eles possuem múltiplos estados, portanto, precisamos de matrizes para operar nesses vetores. Exemplos de tais portas podem ser o portão X de Pauli, o portão Y de Pauli, o portão de Hadamard. A explicação dessas portas está além do escopo deste artigo.

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Futuro da Computação Quântica

Então, estamos esperando que em breve esses computadores quânticos substituiriam nossos computadores normais e nossos celulares estariam rodando em CPUs quânticas? A resposta é Não. Computadores quânticos nos ajudam a resolver problemas combinatórios, e eles não serão capazes de executar programas como sistemas operacionais ou processadores de texto. Ainda estaríamos usando nossos computadores clássicos, que interagem com computadores quânticos para codificar e decodificar as respostas. Além disso, a partir de agora, a IBM e a Dwave disponibilizaram computadores quânticos como “hardware como serviço”, onde os usuários podem usar essas máquinas usando APIs.

Então resolvemos o mistério dos computadores quânticos? Não completamente, porque ainda não descobrimos maneiras de lidar com o erro gerado com esses sistemas quânticos e a maioria dos algoritmos é comprovada no papel e não foi implementada totalmente. Mas nós temos muitos dos computadores quânticos prontos e existem certas linguagens como Q, QCL, que podem ser usadas para escrever código para computadores quânticos. Q #, Cirq são SDKs que também podem ser capazes de simular sistemas quânticos em nossos computadores clássicos.

Texto original en inglés.