Computação quântica: uma breve visão geral

O termo "computação quântica" refere-se a um método que calcula resultados utilizando a mecânica quântica. A menor unidade distinta de qualquer atributo físico é conhecida na física como quantum. Na maioria das vezes, refere-se às características de partículas atômicas ou subatômicas, como elétrons, neutrinos e fótons.

A computação quântica utiliza as propriedades peculiares da física quântica, como superposição, emaranhamento e interferência quântica. Isso traz novas ideias às técnicas convencionais de programação.

Por que os computadores quânticos são necessários?

Os supercomputadores não são tão poderosos assim para certos problemas.

Cientistas e engenheiros utilizam supercomputadores quando enfrentam tarefas complexas. Esses enormes computadores clássicos frequentemente possuem milhares de núcleos tanto para a GPU quanto para a CPU. No entanto, alguns tipos de problemas são difíceis até mesmo para supercomputadores resolverem.

Quando um supercomputador tem dificuldade, geralmente é porque a grande máquina clássica recebeu um problema complexo para resolver. A complexidade é comumente a causa da falha dos computadores tradicionais.

Problemas complexos envolvem múltiplas variáveis que interagem de maneiras intricadas. Como há tantos elétrons diferentes interagindo entre si, modelar o comportamento dos átomos individuais dentro de uma molécula é uma tarefa desafiadora. É difícil determinar as melhores rotas para algumas centenas de navios-tanque em uma vasta rede de transporte.

Como funciona a computação quântica

Ao contrário dos supercomputadores, os computadores quânticos são sistemas mais eficientes e com menor consumo de energia. Os sistemas de resfriamento da maioria dos sistemas de computação quântica, que mantêm o microprocessador supercondutor em sua temperatura operacional extremamente baixa, têm o tamanho de um veículo.

Um processador tradicional usa bits para executar suas funções. Um computador quântico usa qubits para executar algoritmos quânticos multivariados.

Superfluidos

Seu computador desktop provavelmente usa um ventilador para se manter frio o suficiente para operar. Precisamos manter nossos processadores quânticos em temperaturas muito baixas — apenas um centésimo de grau acima do zero absoluto. Para isso, produzimos supercondutores usando superfluidos super-resfriados.

Supercondutores

Certos componentes em nossos processadores demonstram outra propriedade crucial da mecânica quântica nessas temperaturas extremamente baixas: os elétrons passam por eles sem barreira. Por isso, são chamados de "supercondutores". Pares de Cooper são formados quando os elétrons se movem através de supercondutores. Esses pares podem transportar carga além de isolantes ou barreiras por meio do tunelamento quântico. Uma junção Josephson é criada quando dois supercondutores são posicionados em lados opostos de um isolante.

Controle

As junções Josephson funcionam como qubits supercondutores em nossos sistemas quânticos. Podemos regular o comportamento desses qubits e permitir que armazenem, modifiquem e leiam informações quânticas discretas direcionando fótons de micro-ondas a eles.

Superposição

Um qubit sozinho não é particularmente útil. No entanto, ele pode realizar um truque crucial ao colocar os dados quânticos que contém em um estado de superposição que combina todas as configurações possíveis de qubits. A superposição de grupos de qubits pode produzir cenários computacionais complexos e multidimensionais. Nesses ambientes, problemas complexos podem ser representados de maneiras inovadoras.

Emaranhamento

O emaranhamento é um fenômeno da mecânica quântica que correlaciona as ações de duas entidades distintas. Alterações em um qubit influenciam o outro quando dois qubits estão emaranhados. Algoritmos quânticos aproveitam essas conexões para resolver problemas complexos.

Benefícios do computador quântico

Embora um computador quântico não possa executar todas as tarefas mais rapidamente do que um computador clássico, existem alguns domínios em que eles podem ter uma influência significativa.

Simulação atômica

Como incorporam fenômenos quânticos em sua computação, os computadores quânticos são particularmente eficazes na simulação de outros sistemas quânticos. Isso significa que podem lidar com a complexidade e a ambiguidade dos sistemas, que sobrecarregariam os computadores tradicionais. Podemos simular diversos sistemas quânticos, como fotossíntese, supercondutividade e estruturas moleculares complexas.

Criptografia

A criptografia tradicional baseia-se na intratabilidade de problemas como fatoração de inteiros ou logaritmos discretos. Um exemplo é o algoritmo RSA (Rivest-Shamir-Adleman), amplamente utilizado para proteger a transferência de dados. Os computadores quânticos têm o potencial de resolver vários desses problemas de forma mais eficiente.

Otimização

O conceito de otimização consiste em encontrar a melhor solução para um problema, considerando as limitações e os resultados desejados. Decisões cruciais em negócios e ciência baseiam-se em variáveis como custo, desempenho e tempo de fabricação, todas passíveis de otimização. Podemos resolver problemas anteriormente intratáveis usando computadores clássicos para executar algoritmos de otimização inspirados na computação quântica. Isso nos permite desenvolver métodos mais eficazes para controlar sistemas complexos, como padrões de tráfego, atribuição de portões para aeronaves, entrega de encomendas e armazenamento de energia.

Aproveitando o machine learning quântico

A ciência e a indústria estão sendo revolucionadas pelo machine learning em computadores clássicos. O alcance e o avanço dessa área foram dificultados pelo alto custo computacional associado ao desenvolvimento de modelos de machine learning. Estamos investigando como criar e usar software quântico que permita um machine learning mais rápido para impulsionar esse campo com maior agilidade.

Busca

Em contraste com os algoritmos tradicionais, um algoritmo quântico criado em 1996 acelera significativamente a solução para buscas de dados não estruturados.