Computador Quântico

Uma introdução para Programadores

Os computadores de hoje não aumentam a eficiência resolvendo problemas complicados melhor que os humanos. Eles trabalham dividindo tarefas complicadas em várias tarefas simples. A vantagem dos computadores é que eles podem concluir essas tarefas muito mais rápido do que nós. A limitação dos computadores clássicos é que essas tarefas somente ocorrem em sequência, portanto, à medida que um problema aumenta em complexidade ou em tamanho de um banco de dados, o tempo necessário para chegar a uma solução também aumenta. Em muitos casos o tamanho do problema é matematicamente impossível para os computadores mais poderosos resolverem em menos de mil anos (Comparando com o tempo que a calculadora do seu computador ou celular leva para realizar uma conta complexa). O computador quântico tem a capacidade de superar essas limitações criadas por tarefas sequenciais, aproveitando alguns dos aspectos mais interessantes da mecânica quântica: superposição, emaranhamento e interferência.

Como Funciona

Fonte: ResearchGate

Para explicar esses fenômenos, vamos dar um passo para atrás. Quando dizemos que um computador divide tarefas complicadas em tarefas simples, qual é a tarefa mais simples possível de concluir? Escolha entre duas opções (‘A ou B’, ‘Verdadeiro ou Falso’, ‘Cara ou coroa’) que são problemas binários. Na computação, o código binário (representado como ‘1 ou 0’) se comunica literalmente com os comutadores do circuito de um computador como ‘On ou Off’. Embora, essas ‘soluções’ binárias possam ser comunicadas em sucessão incrivelmente rápida, eles ainda devem ser lidos um após o outro. Um computador quântico é capaz de usar uma abordagem mais eficiente. A equivalência quântica a um bit é o Qubit, essencialmente uma partícula que é ‘carregada’ com informações que podem ser medidas.

Bits Clássicos vs Bits Quânticos

Enquanto um bit (ou partícula clássica) deve existir em um estado binário ou no outro (1 ou 0), um Qubit pode existir em um estado quântico chamado superposição, no qual ele existe essencialmente nos dois estados ao mesmo tempo. Agora, como a mecânica quântica é em grande parte um jogo de probabilidades, as chances de o Qubit estar no estado A ou no estado B podem ser 50/50, 70/30, 10/90 ou qualquer par de porcentagens. Por causa disso, você também pode imaginar a posição do Qubit existente em um espectro ou na superfície de uma esfera com os Estados A e B em pólos opostos. De qualquer maneira, a superposição é uma propriedade quântica que permite que uma partícula esteja em várias posições ao mesmo tempo, ou seja, existem várias possibilidades ao mesmo tempo. Em termos de busca de uma solução para um problema, isso significa que um Qubit é capaz de seguir várias rotas ao mesmo tempo, enquanto um bit deve seguir uma de cada vez.

Algoritmo de Dijkstra em ação

O algoritmo de Dijkstra é usado para encontrar a rota mais econômica para um destino, em vez de explorar cada caminho possível separadamente (que computadores clássicos estão restritos a fazer), um Qubit em superposição pode analisar vários caminhos possíveis simultaneamente, alcançando a melhor solução muito mais rápido. À medida que a solução para um problema se torna mais complexa ou o número de entradas se torna maior, o Algoritmo de Dijkstra é capaz de aumentar com a complexidade do problema e se tornar mais eficiente comparativamente.

Onde estamos agora?

Ainda existem grandes obstáculos a serem superados para maximizar o potencial dessas redes quânticas. Enquanto computadores quânticos de grande tamanho podem resolver problemas de computação muito mais rapidamente que os computadores clássicos (conhecido como vantagem quântica), essas soluções são comercialmente inúteis no tamanho atual dos maiores sistemas quânticos estáveis. Então, apenas aumente a quantidade de Qubits, certo? Adicionar Qubits a um sistema emaranhado é realmente muito difícil, porque a rede é muito frágil. O emaranhamento do primeiro par de Qubits em um sistema de um computador quântico foi realizado em 1998, em um esforço conjunto da IBM, Oxford, Berkley, Stanford e MIT. Vinte anos depois, o Google detém o recorde de maior chip quântico operacional com apenas 72 Qubits.

Embora, o emaranhamento nos dê uma solução (pelo menos em parte) para o efeito do observador, a interrupção do estado quântico necessário ainda ocorre e limita a vida útil das propriedades quânticas. A menos que um sistema quântico possa alcançar a solução antes que caia da superposição, para um estado chamado de ‘decoerência’, todo o processo falha.

Enquanto o potencial de computação aumenta com o número de Qubits na rede, esse potencial é inútil, a menos que possamos diminuir a probabilidade de elementos externos eliminarem os Qubits de seu estado de superposição. As tentativas atuais de diminuir essa ‘taxa de erro’ estão usando lasers, campos magnéticos e supercondutores para criar ambientes que prolongam a vida útil do estado quântico (uma vida útil medida em microssegundos). À medida que as taxas de erro são aprimoradas, certos limites permitirão novas descobertas na observação dos comportamentos do sistema e no desenvolvimento de algoritmos quânticos com base nessas observações. Alguns dos principais nomes do setor industrial já estão permitindo acesso geral às suas redes de computação quântica via nuvem, a fim de democratizar o processo desses sistemas. Uma vez feito progresso suficiente  e uma rede estável de Qubit de tamanho suficiente e baixa taxa de erro seja alcançada, os computadores quânticos (em teoria) serão capazes de resolver problemas clássicos muito mais rapidamente, como também de resolver problemas que máquinas clássicas simplesmente não podem resolver. Esse marco é conhecido como supremacia quântica e acredita-se ser o ponto em que as comportas proverbiais se abrem para o campo e a ciência da computação teórica é virada de cabeça para baixo. No entanto, há algumas alegações de que a supremacia é impossível porque certas leis e teorias físicas simplesmente não permitem o dimensionamento nessa extensão.

O que é possível?

Uma vez alcançada a supremacia quântica, o que ainda pode levar vários anos (supondo que seja possível), o poder computacional alcançado abrirá compreensões para problemas complexos em muitos campos da pesquisa e avanço tecnológico. Não apenas a execução de consultas em conjuntos de dados maciços e complexos será muito mais eficiente, avançando o campo de aprendizado de máquina a uma taxa sem precedentes, como a capacidade amplamente aprimorada de executar simulações para certas estruturas moleculares complexas e seu comportamento pode revolucionar as descobertas médicas.

Esse poder de simulação também pode ser usado para maximizar a eficiência energética em todos os setores e tecnologias. Esse benefício vem além da própria computação quântica ser mais eficiente em termos de energia para resolver problemas clássicos em escala. Os computadores quânticos não substituem os computadores clássicos (nem muitas necessidades de programação clássica). Em vez disso, serão usados principalmente em conjunto com as máquinas modernas de hoje. Alguns campos, no entanto, provavelmente mudarão drasticamente.

É provável que a taxa de progresso e as possibilidades futuras de desenvolvimento de IA (Inteligência Artificial) e aprendizado de máquina se expandam drasticamente quando combinadas com o poder da computação quântica. A segurança cibernética quase certamente será transformada em grande parte (se não completamente) em tecnologias quânticas, já que até as melhores técnicas clássicas de criptografia disponíveis hoje são facilmente quebráveis pelos sistemas quânticos que esperamos ver criados na próxima década. Essa vantagem em particular (embora haja muitas) é provavelmente o maior fator impulsionador da corrida de hoje para alcançar a supremacia quântica.

Tradução por Aliucha Barbalho.

Referência: https://medium.com/swlh/quantum-computing-1d40d4ed43b2

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