Computação Quântica
Camila Fornaciari Volponi
Gustavo de Assis Medeiros
Victor da Silva Martins
Resumo
Após tantos anos de desenvolvimento tecnológico e melhoramento da velocidade da
informação nos vemos com um certo empecilho quanto a essa velocidade para a transferência
dos dados, por conta disso se vem pensando nas últimas décadas um meio de transferência
mais rápido e seguro, e graças a Feynman, que no século XX apresentou a ideia da mecânica
quântica na computação, se está tornando viável tal ideia, apesar de uma grandiosa
dificuldade para a sua produção, pois envolve um desenvolvimento tecnológico de gastos
astronômicos e de complexidade tão grande quanto. Neste artigo apresentaremos um pouco
acerca desse desenvolvimento e de como ele é aplicado em sua teoria e qual a sua principal
dificuldade para que se possa realmente entrar em vigor a Computação Quântica, com todo o
seu poder de processamento e idealização de capacidades inigualáveis, juntamente com a
ideia principal de como os chamados qubits, são enviados e lidos por esses processadores.
Foram utilizados para o desenvolvimento desde trabalhos apresentados por Feynman, Turing,
Peter Shor, Schrodinger e dos brasileiros Flávio Luís Alves, Prof. Antonio Tavares da Costa
Júnior, Felipe Mattielo, Gesiel Gomes Silva e Ronni Geraldo Gomes de Amorim, para que
fosse entregue um artigo de fácil compreensão de todos.
Abstract
After so many years of technological development and improving the speed of information we
find ourselves with a certain impediment to such speed to data transfer, because of that it has
been thinking in recent decades a means of faster and safer transfer, and thanks to Feynman
which in the twentieth century it presented the idea of quantum mechanics in computing is
becoming such a viable idea, despite a great difficulty for its production as it involves a
technological development of astronomical costs and complexity as large as. In this article we
present a little about this development and how it is applied in its theory and what their main
difficulty so you can actually enter into force on Quantum Computing, with all its processing
power and idealization of unparalleled capabilities along with the main idea of how so-called
qubits, are sent and read by these processors. We were used to develop from papers presented
by Feynman, Turing, Peter Shor, Schrodinger and Brazilian Flavio Luis Alves, Prof. Antonio
Tavares da Costa Junior, Felipe Mattielo, Gesiel Gomes Silva and Ronni Geraldo Gomes de
Amorim, to be given an article of easy understanding.
1. Introdução
Segundo a profecia de Gordon E. Moore, a cada 18 meses os transistores dos chips teriam um
aumento de 100%. Contudo, essa lei está chegando a um fim, ou a uma nova forma de
interpretar, um novo paradigma, pois se está tornando-se impossível a aplicação de novos
transistores nos chips, que já se encontram na casa dos nanômetros. Por conta disso, se é
estudado a aplicação da mecânica quântica, que propõem a aplicação de transistores do
tamanho de átomos, na proporção de angstroms (1 angstrom = 0,1 nanômetros), nos
processadores no futuro.
2.1 Mecânica Quântica
A teoria quântica é, sem dúvida, o maior avanço da física no século XX, tendo representado o
que se costuma chamar de uma revolução científica. Ao contrário da Mecânica Clássica, a
Mecânica quântica possui características intrinsicamente probabilísticas.
Esta indeterminação é diferente daquela que surge na Mecânica Estatística Clássica, que é
proveniente de um conhecimento incompleto sobre o sistema em questão. Um sistema
quântico é probabilístico intrinsicamente, ou seja, não existe nenhuma variável que
desconhecemos, o fato é que próprio sistema não “sabe” o valor das grandezas físicas a ele
associadas.
Coloquialmente costuma-se descrever a Mecânica Quântica como uma teoria na qual nada é o
que parece, ou o que o senso comum ou a física de Newton levam a acreditar. As coisas
mudam quando se olha para elas. Os objetos se comportam de modo imprevisível. De acordo
com o princípio da incerteza, que emerge da teoria quântica, nada pode ser medido tão
precisamente quando se deseja, pois, o simples fato de medir afeta o estado daquilo que se
mede.
Da teoria quântica ainda surge o princípio da dualidade partícula-onda. Segundo este
princípio, um elétron, por exemplo, pode comportar-se como partícula e as vezes como onda.
Por outro lado, toda onda possui uma partícula associada. O físico Richard Feynman usava
um bom exemplo para explicar esta questão. Imagine luz sendo refletida por um espelho.
Nenhum espelho é perfeito, deste modo apenas 95 % desta luz é refletida pelo espelho e os
outros 5% o atravessam, ou é absorvido ou perdido.
Classicamente esta era uma situação completamente aceitável. Porém, sabe-se, da descoberta
de Planck, que a luz é dividida em pacotes, ou quanta, chamados fótons. Estes fótons são
indivisíveis. Desta forma, um fóton deve ser completamente absorvido ou refletido. Não é
possível que um fóton seja parcialmente refletido e parcialmente absorvido. Então, conclui-se
que 19 fótons de 20 são refletidos pelo espelho e o outro é absorvido. Mas como saber qual é
absorvido e quais são refletidos? Não é possível saber. Um fóton tem 95% de chance de ser
refletido e 5% de chance de ser absorvido. Não há nenhuma regra ou propriedade secreta do
fóton que possa predizer seu comportamento. A imprevisibilidade é inata.
2.2 Computação Tradicional
2.2.1 Lei de Moore
Lei de Moore
Gordon Moore, fundador da empresa norte-americana de microprocessadores Intel, observou,
na década de 1960, que o número de átomos necessários para representar um bit se reduzia à
metade aproximadamente a cada 1 ano e meio. Com base na lei feita por Moore se terá em
poucos anos, um bit representado por apenas um átomo. [Figura 1]
Do ponto de vista físico, a Lei de Moore impõe um limite natural aos computadores, pois a
partir do momento que fosse atingido o limite de um bit por átomo, não haveria mais como
aumentar a densidade de bits por chip. Contudo, quando a escala atômica for atingida, o
paradigma clássico da máquina de Turing deixa de ser válido, ou seja, devemos pensar num
modelo de computação baseado nas leis da mecânica quântica.
2.3 Computação Quântica
2.3.1 Seu conceito
Um computador quântico é em príncipio, um dispositivo que usa as leis da Mecânica
Quântica para processar informação. A principal vantagem de um computador quântico é o
chamado “paralelismo quântico”. Este é baseado numa das propriedades mais estranhas da
Mecânica Quântica, a superposição coerente de estados distintos. Em vez de um-ou-outro,
como na lógica digital, um bit quântico poderia ser ambos-e, ou seja, representar 0 e 1 ao
mesmo tempo. Esses qubits 4 poderiam existir simultaneamente como uma combinação de
todos os números de dois bits possíveis quando se têm dois qubits. Adicionando um terceiro
qubit, pode-se ter a combinação de todos os números de três bits possíveis. Esse sistema
cresce exponencialmente. Com isso, uma coleção de qubits poderia representar uma fileira de
números ao mesmo tempo, e um computador quântico poderia processar toda uma entrada de
dados simultaneamente.
2.3.2 Aplicações
A fatoração de números pequenos é trivial; crianças de escola primária aprendem que 12 = 2 x
2 x 3. Entretanto fatorar números grandes é um dos problemas mais difíceis na ciência da
computação. Não importa quão inteligente seja o algoritmo, na realidade o tempo exigido para
fatorar números cada vez maiores cresce exponencialmente. Vá além de algumas centenas de
dígitos e mesmo a capacidade das máquinas mais modernas no mundo será superada. O tempo
de fatoração excederá o tempo de existência do universo. Ou melhor, isso aconteceria com um
computador convencional. Shor provou que um computador quântico poderia fatorar números
grandes num prazo que aumenta somente algumas potências do tamanho do número.
Crescimento rápido, certamente, mas nem tanto. Um computador convencional precisaria
rodar por bilhões de anos para fatorar um número de 400 dígitos. Uma máquina quântica
poderia fazer o serviço em cerca de um ano. A implicação era que códigos
"indecifráveis"poderiam ser agora decifrados. e com este anúncio a Agência de Segurança
Nacional, o Pentágono, a comunidade de criptografia e toda a comunidade de computação
acordaram para o fato de que a computação quântica não era mais um domínio exclusivo dos
teóricos. Peter Shor estava mostrando a possibilidade de uma aplicação real e importante.
2.3.3 Qubit
Um q-bit (bit quântico) é representado por meio da expressão
, onde α e
β são números complexos, que fornecem a probabilidade de se encontrar
e
,
respectivamente. [Figura 2]
A superposição de estados, apesar de parecer um pouco estranha, pode ser entendida mediante
uma analogia conhecida como gato de Schroedinger. Com o objetivo de explicar as minúcias
das soluções da equação fundamental da mecânica quântica e do princípio da superposição,
Schroedinger propôs o experimento imaginário no qual utiliza um gato que supostamente
pode estar vivo ou morto ao mesmo tempo. Esse exemplo trata de uma forma simples de
analisar o princípio da superposição das soluções da equação de Schroedinger. Tal princípio
afirma que se para um determinado problema a equação de Schroedinger admitir duas
soluções distintas |α> e | β>, então o sistema pode ser descrito por meio da superposição das
duas soluções, o que é matematicamente escrito como |ᴪ> = |α> + |β> onde os estados |α>
e |β> existem simultaneamente. [Figura 3] A única forma de averiguar o que “realmente”
aconteceu com o gato será realizar uma medida: abrir a caixa e olhar dentro. Em alguns casos
encontraremos o gato vivo e em outros um gato morto. Isso ocorre por que ao realizar a
medida, o observador interage com o sistema e o altera, rompendo a superposição dos dois
estados, fazendo com o que o sistema seja observado em um dos dois estados possíveis; uma
diferença entre os bits clássicos e os qubits é que os bits clássicos podem ser medidos e
manipulados sem sofrerem distúrbios.
2.3.4 Decoerência
Os sistemas estudados não são, em geral, isolados. O maior problema para construir
computadores quânticos é a decoerência, a distorção do estado quântico devido à interação
com o ambiente. A inevitável interação entre esses sistemas e o ambiente que os cerca tem
como efeito a destruição das características quânticas classicamente ausentes dos fenômenos
em questão.
3. Formatação de tabelas e figuras
Figura 1 – Gráfico da Lei de Moore. Figura retirada de harpiatec.com
Figura 2 – Representação Qubit
Figura 3 – Mostra que formas diferentes podem dizer a mesma coisa
4. Considerações Finais
Vimos que essa promissora área da ciência propõe a fusão entre as ideias da mecânica
quântica e da ciência da computação. Apesar de sua incipiência de projetos para a construção
de computadores quânticos, muitos desenvolvimentos mostraram-se possíveis e aplicáveis até
mesmo na computação tradicional. Nota-se que a transição para o paradigma quântico na
computação trata-se de um trajeto natural, pois caminha paralelamente com a Lei de Moore.
Referências
Felipe Mattielo, Gesiel Gomes Silva, Ronni Geraldo Gomes de Amorim. DECIFRANDO A COMPUTAÇÃO
QUÂNTICA. Universidade de Brasília (UnB) – Instituto de Física, Física Atômica e Molecular, 2012.
Flávio Luís Alves, Prof. Antonio Tavares da Costa Júnior. Computação Quântica: Fundamentos Físicos e
Perspectivas. Minas Gerais – Brasil, 2003.
Richard P. Feynman. Simulating Physics with Computers. Department of Physics, California Institute of
Technology. Pasadena, California, 7 de maio de 1981
Peter Shor. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer.
SIAM Journal on Computing, 26(5): 1484 – 1509, October, 1997.
Von E. Schrodinger. Diegegenwartige Situation in der Quantenmechanik. Die Naturwissenschaften, 29,
november 1935.
Deutsch, D. Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer. Proceedings of
the Royal Society of London, 1985, A 400, pp97-117.