O Computador Quântico

    quant2A enorme capacidade de processamento criada pelos fabricantes de computador ainda não foi capaz de saciar nosso ávido desejo por velocidade. Em 1947, o engenheiro da computação Howard Aiken disse que bastariam seis computadores digitais eletrônicos para satisfazer as necessidades dos Estados Unidos. Outros fizeram previsões igualmente desastrosas de quanta capacidade de processamento eletrônico seria necessária para as crescentes necessidades tecnológicas mundiais. Naturalmente Aiken não considerou os vastos volumes de dados gerados ...

    pela pesquisa científica, a proliferação de computadores pessoais ou o surgimento da Internet, que apenas alimentou nossa necessidade por mais, mais e mais potência dos computadores. Será que algum dia teremos computadores com a potência que necessitamos ou desejamos? Como declara a Lei de Moore, se o número de transistores em um microprocessador continuar dobrando a cada 18 meses, no ano 2020 ou 2030 os circuitos em um microprocessador serão medidos em escala atômica.

    O próximo passo lógico será a criação de computadores quânticos, que vão utilizar a potência de átomos e moléculas para realizar funções de memória e processamento. Os computadores quânticos têm potencial para realizar cálculos bilhões de vezes mais rápido que qualquer computador baseado em silício.

    Cientistas já criaram computadores quânticos básicos que podem realizar certos cálculos, mas um computador quântico, na prática, ainda está a anos de acontecer. Nesta edição, você vai aprender o que é um computador quântico e para que ele será usado na próxima era da computação.
     
    Definindo o computador quântico

    Não é preciso voltar muito no tempo para encontrar as origens do computador quântico. Eles foram idealizados há apenas 20 anos atrás, por um físico do Laboratório Nacional de Argonne (em inglês), Paul Benioff, creditado como a primeira pessoa a aplicar a teoria quântica a computadores em 1981. Benioff idealizou a criação de uma máquina de Turing quântica. A maioria dos computadores digitais, como o que você está usando para ler este artigo, é baseada na Teoria de Turing.

    A máquina de Turing, desenvolvida por Alan Turing nos anos 30, consiste em uma fita de comprimento ilimitado dividida em pequenos quadrados. Cada quadrado pode comportar um valor (1 ou 0) ou ser deixado em branco. Um dispositivo de leitura e gravação lê esses valores e espaços em branco, o que fornece à máquina instruções para executar determinado programa. Soa familiar? Bem, a diferença na máquina de Turing quântica é que a fita existe em um estado quântico, assim como o cabeçote de leitura e gravação. Isso significa que os valores na fita podem ser 0, 1 ou uma sobreposição de 0 e 1. Enquanto que uma máquina de Turing normal pode realizar apenas um cálculo por vez, sua versão quântica pode realizar várias.

    Os computadores de hoje, como a máquina de Turing, funcionam pela manipulação de bits que existem em dois estados: 0 ou 1. Os computadores quânticos não são limitados a dois estados - eles codificam as informações como bits quânticos, ou qubits, que pode existir em sobreposição. Qubits representam átomos, íons, fótons ou elétrons e seus respectivos dispositivos de controle trabalham juntos para agir como uma memória de computador e um processador. Como um computador quântico pode conter esses estados múltiplos simultaneamente, tem potencial de ser milhões de vezes mais potente que os supercomputadores atuais.

    Essa sobreposição de qubits é o que dá aos computadores quânticos seu paralelismo inerte. De acordo com o físico David Deutsch, esse paralelismo permite que um computador quântico realize 1 milhão de cálculos ao mesmo tempo, enquanto que o seu PC faz apenas um. Um computador quântico de 30 qubits deve igualar a potência de um computador convencional a 10 teraflops (trilhões de operações de ponto flutuante por segundo). Os computadores pessoais de hoje rodam a velocidades medidas em gigaflops (bilhões de operações de ponto flutuante por segundo).

    Os computadores quânticos também utilizam outro aspecto da mecânica quântica conhecido como entrelaçamento. Um problema com a idéia de computadores quânticos é que se você tentar olhar as partículas subatômicas, pode danificá-las, alterando o seu valor. Se você observar um qubit e sobreposição para determinar seu valor, o qubit vai assumir o valor 0 ou 1, mas não ambos (efetivamente tornando seu computador quântico em um computador digital normal). Para fazer um computador quântico, os cientistas devem determinar maneiras de medir, indiretamente, com o intuito de preservar a integridade do sistema. O entrelaçamento tem essa potencial resposta. Mas na física quântica, quando se aplica uma força externa a dois átomos, isso pode torná-los entrelaçados, fazendo com que o segundo átomo adote as propriedades do primeiro. Assim, se um átomo for deixado inerte, vibrará em todas as direções, mas no momento em que houver interferência, ele vai escolher um giro (valor). Ao mesmo tempo, o segundo átomo entrelaçado irá escolher um giro (valor) contrário. Isso permite que cientistas saibam o valor dos qubits sem precisar olhá-los.

    Os computadores quânticos hoje

    Os computadores quânticos podem substituir os chips de silício um dia, assim como o transistor substituiu o tubo a vácuo. Por hora, a tecnologia requerida para desenvolver tal computador está além do nosso alcance. A maioria das pesquisas em informática quântica ainda é muito teórica.

    Os computadores quânticos mais avançados ainda não foram além da manipulação de mais de 16 qubits, o que significa que eles ainda estão longe da aplicação prática. Mas diversos avanços estratégicos foram feitos na informática quântica nos últimos anos. Permanece, portanto, o potencial dos computadores quânticos de realizar com facilidade e rapidez cálculos que demandam uma grande quantidade de tempo em computadores convencionais.
     
    • Em agosto de 2000, pesquisadores do Centro de Pesquisa Almaden da IBM (em inglês)desenvolveram o que eles alegam ser o mais avançado computador quântico até o presente. O computador quântico de 5 qubits foi projetado para permitir que os núcleos de 5 átomos de flúor interagissem entre si, programado por pulsos de rádio-freqüência e detectado por instrumentos de ressonância magnética nuclear (RMN) semelhantes aos utilizados em hospitais (veja Como funciona a geração de imagens por ressonância magnética para detalhes). Comandada pelo Dr. Issac Chuang, a equipe da IBM foi capaz de resolver em uma etapa um problema matemático que computadores convencionais levariam repetidos ciclos para resolver. O problema, chamado order-finding, envolve encontrar o período de uma determinada função, um aspecto típico de muitos problemas matemáticos na área da criptografia.
     
    • Em março de 2000, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos (em inglês)anunciaram o desenvolvimento de um computador quântico de 7 qubits dentro de uma única gota de líquido. O computador quântico utiliza a RMN para manipular partículas dentro do núcleo atômico das moléculas de ácido transcrotônico, um fluido simples que consiste de moléculas feitas de seis átomos de hidrogênio e quatro de carbono. A RMN é utilizada para aplicar pulsos eletromagnéticos, que fazem com que as partículas se alinhem. Essas partículas, em posições paralelas ou em sentido contrário ao campo magnético, permitem que o computador quântico controle a codificação de informações em bits para computadores digitais.

    • Em 1998, pesquisadores de Los Alamos e do MIT conseguiram espalhar um único qubit por três giros nucleares em cada molécula de uma solução líquida de moléculas de alanina ou tricloroetileno. Espalhar o qubit o tornou mais difícil de ser corrompido, permitindo que os pesquisadores usassem o entrelaçamento para estudar as interações entre os estados como um método indireto de analisar as informações quânticas.

    Se computadores quânticos funcionais puderem ser construídos, serão de grande valia para a fatoração de grandes números e, assim, extremamente úteis para a codificação e decodificação de informações secretas. Se um computador quântico fosse construído hoje, nenhuma informação na Internet seria segura. Nossos atuais métodos de criptação são simples em comparação com os complicados métodos possíveis em computadores quânticos, que também poderiam ser usados para pesquisar extensos bancos de dados em bem menos tempo que um computador convencional.

    Contudo, a computação quântica ainda está em seu estágio inicial de desenvolvimento e a tecnologia necessária para criar um computador quântico prático está a anos de distância. Os computadores quânticos devem ter no mínimo algumas dúzias de qubits para serem capazes de resolver problemas do mundo real e servir então como um método de computação viável.

    Outras definições

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    Um computador quântico é um dispositivo que executa cálculos fazendo uso direto de propriedades da mecânica quântica, tais como sobreposição e interferência. Teoricamente, computadores quânticos podem ser implementados e o mais desenvolvido atualmente trabalha com poucos qubits de informação. O principal ganho desses computadores é a possibilidade de resolver em tempo eficiente, alguns problemas que na computação clássica levariam tempo impraticável, como por exemplo: fatoração, busca de informação em bancos não ordenados, etc.

    Computadores quânticos são diferentes de computadores clássicos tais como computadores de DNA e computadores baseados em transístores, ainda que estes utilizem alguns efeitos da mecânica quântica.

    A Estrutura

    Em mecânica quântica, é possível que uma partícula esteja em dois ou mais estados ao mesmo tempo. Uma famosa metáfora denominada o gato de Schrödinger expressa esta realidade: imagine que um gato está dentro de uma caixa, com 50% de chances de estar vivo e 50% de chances de estar morto, para a mecânica quântica, até abrirmos a caixa e verificarmos como está o gato, ele deve ser considerado vivo e morto ao mesmo tempo. A esta capacidade de estar simultaneamente em vários estados chama-se superposição.

    Um computador clássico tem uma memória feita de bits. Cada bit guarda um "1" ou um "0" de informação. Um computador quântico mantém um conjunto de qubits. Um qubit pode conter um "1", um "0" ou uma sobreposição destes. Em outras palavras, pode conter tanto um "1" como um "0" ao mesmo tempo. O computador quântico funciona pela manipulação destes qubits.

    Um computador quântico pode ser implementado com alguns sistemas com partículas pequenas, desde que obedeçam à natureza descrita pela mecânica quântica. Pode-se construir computadores quânticos com átomos que podem estar excitados e não excitados ao mesmo tempo, ou com fótons que podem estar em dois lugares ao mesmo tempo, ou com prótons e nêutrons, ou ainda com elétrons e pósitrons que podem ter um spin ao mesmo tempo "para cima" e "para baixo" e se movimentam em velocidades próximas à da luz. Com a utilização destes, ao invés de nano-cristais de silício, o computador quantico é menor que um computador tradicional.

    Uma molécula microscópica pode conter muitos milhares de prótons e nêutrons, e pode ser usada como computador quântico com muitos milhares de qubits. A grande questão a ser resolvida hoje para a implementação destas máquinas é a capacidade de controlar este sistema, já que as interferências são grandes e o tempo de coerência dos estados das partículas, pequeno.

    O Poder

    Encontrar todos os factores primos de um número grande pode ser uma tarefa muito difícil. Um computador quântico poderia resolver este problema muito rapidamente. Se um número tiver n bits (ou seja, se tiver o comprimento de n dígitos quando escrito em binário), então um computador quântico com um pouco mais de 2n qubits poderá encontrar os seus factores. Também poderá solucionar um problema relacionado, chamado problema do logaritmo discreto. Esta capacidade poderia permitir a um computador quântico quebrar qualquer dos sistemas criptográficos actualmente em uso. A maior parte das cifras de chave pública mais populares poderiam ser quebradas com rapidez, incluindo formas da cifras RSA, ElGammal e Diffie-Helman. Estas cifras são utilizadas para proteger páginas web seguras, email encriptado e muitos outros tipos de dados. A quebra destes códigos poderia ter um impacto significativo. A única forma de tornar seguro um algoritmo com o RSA seria tornar o tamanho da chave maior do que o maior computador quântico que pudesse ser construído. Parece provável que possa sempre ser possível construir computadores clássicos com mais bits que o número de qubits no maior computador quântico, e se se verificar que isto é verdade, então algoritmos como o RSA poderão permanecer seguros.

    Se um computador quântico fosse baseado nos prótons e nêutrons de uma molécula, seria talvez demasiado pequeno para ser visível, mas poderia factorizar números inteiros com milhares de bits. Um computador clássico a correr algoritmos conhecidos também poderia factorizar estes números. Mas para o conseguir fazer antes que o sol desaparecesse, teria de ser maior que universo conhecido. Seria algo inconveniente construí-lo. Não surpreendentemente, os computadores quânticos poderiam também ser úteis para correr simulações de mecânica quântica. O aumento de velocidade poderia ser tão grande como para factorizações. Isto poderia trazer grandes benefícios a muitos físicos.

    Atualmente se sabe que essa vantagem dos computadores quânticos existe apenas para os três problemas seguintes: fatoração, logaritmo discreto e simulações de física quântica. Existe outro problema em que os computadores quânticos têm uma vantagem menor, porém menos significativa. É a busca quântica em base de dados, à qual é referida algumas vezes por square root speedup.

    Suponha que existe um problema como encontrar a senha para desencriptar um arquivo. O problema possui as quatro propriedades:

    • A única forma de resolvê-lo é chutar respostas repetidamente e verificá-las

    • Existem n respostas possíveis para se verificar

    • Toda resposta possível gasta o mesmo tempo de verificação

    • Não existem pistas indicando quais respostas sejam melhores. Gerar as possibilidades randomicamente é tão eficiente quanto verificá-las em alguma ordem especial

    Problemas com todas as quatro propriedades levarão uma média de n/2 tentativas para encontrar a resposta usando um computador clássico. O tempo gasto por um computador quântico seria proporcional à raiz quadrada de n. Isso pode representar um ganho enorme, encurtando o tempo para solução de alguns problemas de anos para segundos. Essa vantagem pode ser usada para atacar cifras simétricas tais como o 3DES e AES. Porém a defesa contra tal ataque é fácil, consistindo em dobrar o tamanho da chave para a cifra. Há também mais métodos complicados para tornar uma comunicação segura, tal como usar criptografia quântica.

    Atualmente não há outro problema prático conhecido para o qual os computadores quânticos mostrem um ganho expressivo sobre os computadores clássicos. As pesquisas continuam, e mais problemas podem, então, ser identificados.

    História

    1981 - Richard Feynman elaborou a primeira proposta de utilizar um fenômeno quântico para executar rotinas computacionais. Foi numa palestra apresentada na Primeira Conferência de Computação Física no MIT. Ele mostrou que um computador tradicional levaria um tempo extremamente longo para simular um simples experimento de física quântica. Por outro lado, sistemas quânticos simples podem executar enormes quantidades de cálculos num curto espaço de tempo. Poderia ser possível utilizar essa capacidade para se calcular algo útil.

    1985 - David Deutsch, na Universidade de Oxford, descreveu o primeiro computador quântico universal. Exatamente como uma Máquina de Turing pode simular outra máquina de Turing eficientemente, um computador quântico universal é capaz de simular o funcionamento de outro computador quântico com complexidade, no máximo, polinomial. Isso fez crescer a esperança de que um dispositivo simples seja capaz de executar muitos algoritmos quânticos diferentes.

    1994 - Peter Shor, no Bell Labs da AT&T em Nova Jersey, descobriu um excelente algoritmo. Ele permite a um computador quântico fatorar grandes inteiros rapidamente. Ele resolve tanto o problema da fatoração quanto o problema do logaritmo discreto. O Algortimo de Shor poderia, em teoria, quebrar muitos dos sistemas criptográficos em uso atualmente. Essa descoberta criou um enorme interesse nos computadores quânticos, até fora da comunidade acadêmica.

    1996 - Lov Grover, no Bell Labs, descobriu o algoritmo de pesquisa em bases de dados quânticas. O speedup de raiz quadrada não foi tão dramático quanto o speedup para fatoração, logs discretos, ou simulações físicas. Mas o algoritmo poderia ser aplicado a uma variedade muito maior de problemas. Qualquer problema que tinha que ser resolvido por uma pesquisa de força bruta, aleatória, podia agora ter um speedup de raiz quadrada.

    1996(?) - ???? Proposto o primeiro esquema para correção de erro quântico. Isso é uma aproximação a computadores quânticos que podem processar grandes números de qubits por longos períodos de tempo. Erros sempre são introduzidos pelo meio, mas uma forma de correção de erros quânticos pode sobrescrevê-los e corrigí-los. Esta pode ser a chave tecnológica para a produção em larga escala de computadores quânticos que realmente funcionam. Estas propostas adiantadas tiveram um certo número de limitações. Poderiam corrigir alguns erros, mas não erros que ocorrem durante o próprio processo da correção. Algumas melhorias foram sugeridas, e a pesquisa sobre esta continua ativa.

    199? - ???? no MIT foram construídos os primeiros computadores quânticos baseados em montagem térmica. O computador é , na verdade, uma única molécula pequena, que armazena qubits na rotação (spin) de seus protons e nêutrons. Trilhões e trilhões destas moléculas podem flutuar em um copo da água. O copo está colocado em um equipamento de ressonância magnética nuclear, similar à imagem por ressonância magnética das máquinas usadas nos hospitais. Este conjunto do room-temperature (' ' thermal ' ') das moléculas (' ' ensemble ' ') tem quantidades maciças de redundância, que permite que mantenha coerência muito melhor do que muitos outros sistemas propostos.

    2007 - Empresa Canadense D-Wave afirmou ter desenvolvido um computador híbrido chamado Orion que inclui um processador quântico de 16 qubits mas que também processa bits convencionais [1]. Se confirmado, será a primeira máquina desse tipo capaz de realizar tarefas práticas o que é surpreendente. Alguns especialistas vinham prevendo que demoraria 20 anos para que os computadores quânticos pudessem ser usados na prática. O Orion seria capaz de resolver problemas de lógica, encontrar soluções para o jogo Sudoku e pesquisar alternativas para drogas usadas na indústria farmacêutica. Em seu estágio atual, o Orion não teria aplicação comercial. Mas a D-Wave diz que vai produzir um computador de 32 qubits ainda neste ano. No primeiro semestre de 2008, a empresa pretende chegar a 512 qubits para, em menos de dois anos, atingir 1 quiloqubit. A comunidade científica recebeu o anúncio da empresa com ceticismo, por ela não ter liberado maiores detalhes do processador

     

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    Orion  - O Orion, contruído pela D-Wave, é um computador de 16 qubits ("bits" quânticos). É a primeira máquina desse tipo capaz de realizar tarefas práticas. O fato de ele estar em pleno funcionamento é surpreendente. Alguns especialistas vinham prevendo que demoraria 20 anos para que os computadores quânticos pudessem ser usados na prática.  Durante a demonstração, o Orion resolveu problemas de lógica, encontrou soluções para o jogo Sudoku e pesquisou alternativas para drogas usadas na indústria farmacêutica. Tudo isso poderia ser feito, tranqüilamente, por um computador digital comum. Mas a demonstração tem enorme importância, já que comprova a viabilidade prática da computação quântica.  O Orion é baseado num único chip quântico. Sobre uma base de silício, esse chip abriga os 16 qubits. Cada um deles é formado por uma porção de nióbio circundada por uma bobina. Quando a bobina é estimulada eletricamente, ela gera um campo magnético, que provoca alterações de estado nos átomos de nióbio. Essas mudanças de estado são captadas pelos circuitos e transformadas em dados. Para processar informações, elas primeiro são convertidas em impulsos analógicos, que são enviados às bobinas. Depois, os sinais analógicos coletados são novamente convertidos em bits. Como os sinais analógicos podem sofrer interferências, um complexo filtro de 128 canais é usado para eliminar o ruído. Assim, o processador quântico pode interagir com circuitos digitais convencionais.

    Para que tudo isso funcione, o chip quântico precisa ser congelado a 4 milikelvins, temperatura muito próxima do zero absoluto. Isso é feito por meio de um sistema de refrigeração com hélio líquido. O nióbio torna-se supercondutor nessa temperatura. Um detalhe curioso é que esse modelo traz de volta a computação analógica, que floresceu durante um breve período, nos anos 70, para ser depois substituída pela digital.
    Em seu estágio atual, o Orion não tem aplicação comercial. Mas a D-Wave diz que vai produzir um computador de 32 qubits ainda neste ano. No primeiro semestre de 2008, a empresa espera chegar a 512 qubits para, em menos de dois anos, atingir 1 quiloqubit.

    O plano da empresa é prestar serviços a organizações que necessitam resolver problemas lógicos complexos. Entre as possíveis aplicações estão criptografia, pesquisa genética e farmacêutica. Para isso, primeiro é preciso que a D-Wave consiga cumprir seu plano de produzir máquinas de maior capacidade, algo que ainda não é garantido. Geordie Rose, fundador e diretor técnico da companhia, diz que acredita que o plano vai dar certo "mas nós podemos estar enganados", admite ele.


    Fonte:http://informatica.hsw.uol.com.br/computadores-quanticos1.htm
           http://pt.wikipedia.org/wiki/Computador_qu%C3%A2ntico
           http://info.abril.com.br/aberto/infonews/022007/15022007-3.shl

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