Computação Quântica Parte 1 PDF Imprimir E-mail

 Mário Porto

INTRODUÇÃO

Computadores digitais são atualmente muito populares e sofreram um desenvolvimento vertiginoso desde o aparecimento dos computadores pessoais no início da década de 70.

Basta você se lembrar que o computador do Módulo Lunar LM da cápsula Apolo tinha uma capacidade de armazenamento de 64K e uma RAM de 1K, processador de 1 MHz e ROM de 12K hoje substituída por HDs com milhões de vezes esta capacidade. Compare com o PC-XT que tinha 4.77 MHz. Não dá nem para competir com os PCs de hoje.

 

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Apollo Guidance Computer.
source: The Computer History Museum

 

Outro número que expressa bem o desenvolvimento do computador; em 1972 um chip da Intel  tinha 3.500 transistores e após 25 anos, em 1997, o chip possuía 7.500.000 de transistores.

A nova geração de processadores da família Intel® CoreTM2 congrega centenas de milhões de microscópicos transistores de 45 nanômetros (nm)

Estes números confirmam a Lei de Moore, denominada em homenagem a um inventor de circuitos integrados e depois executivo principal da Intel que observou que a área superficial de um transistor reduzia em 50% a cada 24 meses. O resultado é que a cada dois anos pode-se colocar duas vezes mais transistores em um circuito integrado.

Os computadores são cerca de cem milhões de vezes mais potentes em relação à mesma medida de custo unitário do que eram a meio século atrás. Se a indústria automobilística tivesse tido o mesmo progresso nos últimos cinqüenta anos, um automóvel hoje custaria um centésimo de um centavo e trafegaria mais rápido do que a velocidade da luz.

 

COMPUTADORES QUÂNTICOS: O ÚNIVERSO EM UMA XÍCARA.

Toda esta introdução prepara para a interpretação do futuro que pode ser esperado em relação à notícia que foi divulgada ao mundo em 13/02/2007:

A empresa canadense D-Wave demonstrou nesta semana o primeiro computador quântico do mundo. 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.

 

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Um filtro assegura que ruídos e sinais estranhos não afetem a operação do processador

Credito: D-Wave

 

Realmente, a expectativa do aparecimento do primeiro computador quântico comercial estava prevista para a década de 20 do século 21.

Os computadores quânticos se supõem terão a habilidade para resolver problemas que mesmo computadores digitais alinhados em paralelo não são capazes de resolver.

Os computadores quânticos enceram um paradoxo da mecânica quântica. Na verdade, isto é até redundante, pois todos os resultados na mecânica quântica são paradoxais.

Note-se que a Lei dos Retornos Acelerados que diz, basicamente, que o progresso científico possui crescimento exponencial, isto é, a cada ano o conhecimento acumulado humano dobra de tamanho gerando, a longo prazo, a diminuição de tempo para atingir determinadas metas científicas e outras projeções feitas para a tecnologia não levam em conta a computação quântica, mas sim tendências prontas e mensuráveis e não se baseiam em descontinuidades no progresso tecnológico que sem dúvida ocorreram no século vinte e certamente acontecerão no século vinte e um, sendo a computação quântica uma possível candidata.

 

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      A dilution fridge refrigera o chip dentro do Computador Quântico Orion da

      D-Wave Systems' para cerca de 4 millikelvin, ligeiramente acima do zero

      absoluto.

Credito: D-Wave Systems

 

O Que É Computação Quântica?

Computadores digitais são baseados em "bits" de informação que estão ou ligados ou desligados - ou zero ou um. Os bits são organizados em estruturas grandes tais como números, letras ou palavras que em última análise podem representar qualquer forma de informação: texto, sons, figuras, imagens em movimento.

Os computadores quânticos, por outro lado são baseados nos qubits que essencialmente são zero e um  ao mesmo tempo. Os qubits são baseados em um dos mais específicos aspectos da mecânica quântica denominado superposição. A posição, momentum ou outro estado de uma partícula fundamental permanece indefinido até que decorrido o tempo de decoerência   [1] aquela partícula "decide" onde ela está, onde ela esteve e que propriedades possui.

Por exemplo, considere um feixe de fótons que atinge uma lâmina de vidro em um ângulo de 45 graus.

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O chip do Orion em sua montagem.

Crédito: D-Wave

À medida que cada fóton atinge o vidro, ele tem a escolha de viajar ou diretamente através do vidro ou refletir a partir do vidro. Na verdade, cada fóton tomará os dois caminhos até que um processo de observação consciente força cada partícula decidir qual caminho irá tomar. Este comportamento tem sido extensivamente confirmado em numerosos experimentos contemporâneos.

Em um computador quântico, os qubits serão representados por uma propriedade - giro nuclear (nuclear spin) de elétrons individuais. Se configurados da maneira correta, os elétrons não terão decidido a direção de seu nuclear spin (para cima ou para baixo) e então estarão nos dois estados ao mesmo tempo. O processo de observação consciente do estado do spin dos elétrons ou qualquer fenômeno subseqüente dependente da determinação destes estados causa a superposição ser resolvida. Este processo de remoção da superposição é chamado de decoerência quântica. Se não fosse pela decoerência quântica o mundo em que vivemos seria verdadeiramente um lugar intrigante.

O fundamental no computador quântico é que nós lhe apresentamos um problema juntamente com uma maneira de testar a resposta. Estabeleceremos a decoerência quântica dos qubits de uma maneira que somente a resposta que passa o teste vai sobreviver à decoerência. As respostas falhas cancelam-se umas às outras. Juntamente com uma série de outras abordagens (por exemplo, algoritmos recursivos e genéticos) uma das essências para a computação quântica é, portanto, uma cuidadosa definição do problema, incluindo uma precisa maneira de testar respostas possíveis.

As séries de qubits representam simultaneamente cada solução possível para o problema. Um simples qubit representa duas soluções possíveis. Dois qubits interligados representam quatro soluções possíveis. Um computador quântico com 1.000 qubits representa 2 1000 (isto é aproximadamente igual a um número decimal consistindo de 1', seguido de 301 zeros) soluções simultâneas possíveis. A formulação do problema expressa como um teste a ser aplicado às soluções possíveis, é apresentado à string de qubits de maneira que os qubits se tornam decoerentes ( isto é, cada qubit altera de seu estado superposto 0-1 para um verdadeiro 0 ou 1), deixando a séries de 0's e 1's que passaram no teste. Essencialmente todas as 2 1000 soluções possíveis foram testadas simultaneamente deixando somente a solução correta.

O processo de leitura da resposta através da decoerência quântica é obviamente a chave da computação quântica. É também o aspecto mais difícil de compreender. Considere-se a seguinte analogia. Estudantes iniciantes de física aprendem que a se a luz atinge um espelho a um ângulo, ela refletirá do espelho na direção oposta e sob o mesmo ângulo em relação à superfície. Mas de acordo com a mecânica quântica isto não é o que acontece. Cada fóton na realidade reflete de cada ponto possível no espelho, essencialmente buscando qualquer caminho possível. A maioria destes caminhos cancela-se uns aos outros, deixando apenas o caminho que a física clássica prediz. Pense no espelho como sendo um problema a ser solucionado.. Apenas a solução correta - a luz refletindo em um ângulo igual ao de entrada -  sobrevive a todos os cancelamentos quânticos. Um computador quântico trabalha da mesma maneira. O teste de acerto da resposta ao problema é configurado de tal maneira que a grande maioria das respostas possíveis - aquelas que não passam no teste - cancela-se umas às outras, deixando apenas a seqüência de bits que passam no teste. Um espelho comum, portanto, pode ser pensado como um exemplo especial de um computador quântico, embora um que soluciona um problema muito simples.

Apresentando um exemplo mais útil, os códigos de criptografia são baseados na fatoração de grandes números (fatorar significa decompor (um número) em todos os seus fatores até o quociente ficar um). Fatorar um número com várias centenas de bits é virtualmente impossível para qualquer computador digital mesmo se tivéssemos bilhões de anos à disposição para esperar a resposta. Um computador quântico pode testar cada combinação possível simultaneamente de fatores e quebrar o código em menos do que um bilionésimo de um segundo (a comunicação do resultado para o observador humano levaria um tempo maior). O teste aplicado pelo computador quântico durante a sua passagem para o estado não superposto é muito simples: apenas multiplica um fator pelo outro e se o resultado igualar ao código criptografado, então temos o problema solucionado.

Tem sido dito que o computador  quântico está para o computador digital assim como a bomba de hidrogênio esta para os fogos de artifícios. Esta é uma afirmação surpreendente se considerarmos que a computação digital é uma tecnologia revolucionária. A analogia é baseada na seguinte observação. Considere ( ao menos em teoria) um computador do tamanho do Universo (não quântico) no qual cada neutro, elétron e próton no Universo se transforma em um computador, e cada um (isto é, cada partícula no Universo) é capaz de computar trilhões de cálculos por segundo. Agora imagine certos problemas que este computador do tamanho do Universo não possa resolver mesmo que processe até o próximo big-bang ou até todas as estrelas do Universo morrerem - estamos falando de cerca de dez a trinta bilhões de anos. Existem muitos exemplos de problemas como este; por exemplo, quebra de códigos encriptados que usam milhares de bits ou a solução do problema do caixeiro viajante para milhares de cidades. Enquanto a computação digital maciça (incluindo nosso computador do tamanho do Universo) é incapaz de resolver este problema, um computador quântico de tamanho microscópico poderia resolver este problema em menos de um bilionésimo de  segundo.

São os computadores quânticos factíveis?

Recentes avanços teóricos e práticos sugerem que a resposta é sim. Embora na prática nenhum computador quântico tenha ainda sido construído já foram demonstrados os meios para colocar o requisito decoerência sob controle. Isaac Chuang do Laboratório de Los Alamos e Neil Gershenfeld od M.I.T. construíram um computador quântico usando átomos de carbono na molécula de alanina. O computador quântico deles era capaz apenas de somar um mais um, mas é um começo.

Já a notícia mencionada acima, diz que a D-Wave desenvolveu uma máquina híbrida chamada Orion que inclui um processador quântico de 16 qubits (os "bits" quânticos), mas que também processa bits convencionais. Essa arquitetura híbrida permitiria a comunicação entre o processador quântico e os circuitos digitais comuns. O anúncio da D-Wave vem sendo recebido com ceticismo pelos cientistas. Dave Bacon, pesquisador da Universidade de Washington, aponta, em seu blog, uma série de pontos duvidosos na tecnologia descrita pela D-Wave. Ainda assim, ele considera positiva a decisão da empresa de demonstrar publicamente sua máquina.

Esta discussão foge ao escopo de nosso artigo.

 

REFERÊNCIAS:

Kurzweill, Ray The Age of Spiritual Machines, Viking , Penguin Group, 1999

Arthur Rodrigo S Valadares1, Dennis E. Bachmann1, Roberto B. Júnior1, Computação Quântica, Instituto de Computação - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)


[1] - O tempo de decoerência é o tempo que um qubit consegue manter seu estado coerente.

 

 


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Comentarios (5)add
Comentários de um Física da àrea de Bioquântica.
escrito por Charles Roderic , 13 setembro 2007
A correlação dos computadores feitos em laboratótios de los Alamos e MIT mostram, pelo que eu entendi, uma flutuação quantizada das eletrosferas do carbono. Isto é um chip Quântico Orgânico. Vejo como um avanço, ainda mais usando alanina o aminoácidop mais abundante. A relação disso com os chips quântica da D-Wave é que ela apenas usa o mesmo princípio para um chip de silício e nióbio que por tal motivo coexiste com os algoritmos e chips convencionais. Não me parece promissor, pois a correlação com chip binário faz o paralelismo do cálculo quântico se afunilar e tornar-se algo de caminho único. O que parece é que o chip quântico orgânico (do MIT e Alamos) pode reagir melhor a baixas temperaturas, e elas nem precisam ser tão baixas, e pode mesmo "rodar" o paralelismo quântico. Vai aqui uma observação. Pelo fato do conhecimento da Física Quântica estar muito distante das pessoas as informações não chegam corretas às pessoas. Sugiro que realmente se possa explicar que na computação quântica todos os elétrons podem ser usados (ou pelo menos quase todos de um átomo ou até molécula), devido às suas diferentes posições e serem usados como operadores. Na computação clássica o processamento só usa elétrons soltos na superfície de um semi-metal. Aí até um aluno secundarista consegue entender. Eu com Físico não consegui ver clareza em nenhuma explicação de nenhum site sobre o assunto, Computadores Quânticos.
Fica aqui apenas uma opinião para os curiosos da área.
obrigado.
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Computação Quântica - Dúvidas
escrito por Mário Porto , 14 setembro 2007
Prezado Charles
Concordo com seus comentários. Se você que é um físico da área bioquântica coloca estes tipos de dúvidas o que dizer de um engenheiro pretensioso como eu que imagina poder acompanhar os progressos da ciência.
O fato é que este não é um tema, como você bem mencionou, próximo do homem comum o que traz a possibilidade de distorções nas interpretações. Tenho lido muito de autores como Kurzweil, James Gardner e outros uma ampla gama de possibilidades de formas de computações futuras; computação com DNA, Eletron Pin, Luz, Molecular, Quântica sem falar na possibilidade de construção de computadores com computação reversa.
Todos eles falam com desenvoltura nestas novas modalidades de computar, mas confesso uma grande dificuldade para entender alguns dos processos e principalmente como seriam seus hardwares.
Espero que você possa nos ajudar, quem sabe sendo um editor para alguns artigos que pretendamos postar. A palavra é sua.
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até que demorou
escrito por márcio gonçalves ribeiro , 09 outubro 2007
Sim demorou,chips como esses já deviam ter sido lançados há 10 anos pelo menos,
isso se partissem pesquisas diretamente com elétrons,pois quando decobriu-se que elétrons
assumiam propriedades de onda,deveria ser óbvio saber que ele poderia estar em dois lugares ao mesmo tempo devido a cronologia de seu tamanho e movimento ou,seja,no intervalo de um quantun de tempo torna-se referêncial de sí mesmo.Na época não aceitava-se
a duplicação de um elétron por meios atemporais,pois ninguém éra corajoso o bastante para
aceitar 1 quantun de tempo ,deveria-se observar que um elétron portando 1 quantun de comprimento deslocando-se 1 quantun de comprimento em um período de 1 quantun de tempo
poderia realizar uma reflexão massódica ou,seja,emitindo todas as informações do elétron
original para a direção de seu deslocamento criando uma cópia que se tornará a original
após um segundo deslocamento.Esses foram fatores que deveriam ser estudados mais cedo
pois só agora os menores chips do mundo entram em prática usando éssa mesma teoria.
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Eu não entendo muita coisa
escrito por Paulo Celso , 15 outubro 2007
Eu sou um estudante do curso de engenharia elétrica da ufes, do primeiro período.
Estou fazendo um trabalho da disciplina Introdução a Engenharia Elétrica, sobre computação quantica, creio q assunto é bastante complicado, levando em consideração que no nível em que estou não sei nem a respeito dos sistemas digitas mais convencionais. E o "orion" não pode ter tido sucesso se ninguem mais jah o reproduziu além da própria D-Wave Systems.

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Novos comentários de um Físico Bioquântico.
escrito por Charles Roderic , 18 outubro 2007
Bem, não sei o que é 'reflexão massódica' mas, ao que parece pela interpretação literal da expressão, que o elétron iria 'ressoar' com características de partícula se considerarmos um possível 'quantum' de tempo. É isso??
Bem, um hardware que conseguisse mensurar ou quantizar o tempo é algo inimaginável pois, o tempo não é quantizável, ele é apenas fracionável. O que é diferente. E ainda, um hardware e software que consiga, mostrar eficiência em receber os aspectos duais dos elétrons todos ao mesmo tempo seria algo ainda mais impossível.
Acredito que estes princípios de dualidade do elétron não são usuais na computação quântica mas, sim, a interpretação dos níveis de energia dos elétrons em toda a superfície de um material. Acredito que isto sim seja possível e seja uma dos aspectos teóricos desta área nova na computação.

Precisamos simplificar estas coisas, como eu havia dito antes, senão corremos o risco sério das pessoas serem apenas usuárias de tecnologia e não serem capazes de acompanhar, nem sequer entender e pior, podem se alienar. Aos especialistas na área, nos vários níveis, e nos mais baixos eu me encontro nesta área, devem esclarecer e não 'tecnizar' a linguagem.....

Princípios belíssimos de Física Quântica e ainda de Mecânica Quântica ficam distantes de nós porque não somos capazes de simplificá-los e torná-los claros. Talvez por avareza de conhecimento ou incapacidade estamos atrasando a democratização de um conhecimento bonito e importante.....

Meu papel é de simples professor e não tem pretenção tão distante do fato de apenas, democratizar a linguagem.....
Abraço a todos.

Mário......aceito seu convite....
Vamos tratar dos detalhes em email.

Obrigado.


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