O desafio da computação quântica

Contente

• Realidade Quântica
• A criação de um bit quântico
• Sem erros, sem estresse - seu guia passo a passo para criar software que muda vidas sem destruir sua vida
• Quão perto estamos?
• Conclusão

Fonte: Rcmathiraj / Dreamstime.com

Leve embora:

Veja mais de perto a computação quântica, como ela funciona e seu potencial futuro.

"Se você acha que entende a física quântica, não entende a física quântica." Essa citação é atribuída ao físico Richard Feynman, mas não está claro se ele realmente disse isso. Aqui está uma citação de Feynman mais confiável de uma publicação do MIT de 1995: "Acho que posso dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica".

Realidade Quântica

Agora que tiramos isso do caminho, vamos ver se há algo que sabemos. A mecânica quântica é estranha. Essas minúsculas partículas no nível quântico simplesmente não se comportam como o esperado. As coisas são diferentes lá.

Coisas loucas estão acontecendo no universo quântico. Existe a aleatoriedade intrínseca, a incerteza, o emaranhado. Tudo parece um pouco demais.

Agora sabemos que átomos e partículas subatômicas agem como se estivessem conectados. Einstein chamou o emaranhamento quântico de "ação assustadora à distância". Imagine dois objetos que estão fisicamente separados, mas se comportam da mesma maneira, têm as mesmas propriedades e agem como um. Agora imagine que esses dois objetos estão separados por 100.000 anos-luz. Estranho mesmo.

Tem mais. O princípio da incerteza na mecânica quântica diz que certas propriedades das partículas simplesmente não podem ser conhecidas. Acrescente a isso o problema da decoerência, que tem algo a ver com o colapso da função de onda. E versões do experimento de fenda dupla parecem sugerir que um objeto quântico pode estar em dois lugares ao mesmo tempo, que a observação muda a natureza das partículas subatômicas ou que os elétrons parecem ter voltado no tempo.

Agora você vê por que construir um computador quântico pode ser um desafio. Mas isso não impede as pessoas de tentar. (Para saber mais sobre computação quântica, consulte Por que a computação quântica pode ser a próxima curva na estrada de Big Data.)

A criação de um bit quântico

O problema da incerteza é que isso dificulta a computação. O alvo está sempre em movimento. E mesmo se você desenvolver algum sistema matemático, como você corrige os erros? E você pensou que o binário era difícil.

"Um qubit é um sistema mecânico quântico que, em algumas circunstâncias adequadas, pode ser tratado como tendo apenas dois níveis quânticos", diz a professora Andrea Morello, da Universidade de New South Wales, na Austrália. "E quando você tiver isso, poderá usá-lo para codificar informações quânticas."

Sem erros, sem estresse - seu guia passo a passo para criar software que muda vidas sem destruir sua vida

Você não pode melhorar suas habilidades de programação quando ninguém se importa com a qualidade do software.

Mais fácil falar do que fazer. Os computadores quânticos atuais ainda não são muito poderosos. Eles ainda estão tentando acertar os blocos de construção.

Um bit quântico, também conhecido como qubit, tem exponencialmente mais potencial do que o bit clássico na computação digital binária. Uma partícula elementar pode estar em vários estados simultaneamente, uma qualidade conhecida como superposição. Enquanto um bit clássico pode estar em um dos dois estados (um ou zero), um qubit pode estar nessas duas posições ao mesmo tempo.

Pense em uma moeda. Tem dois lados: cara ou coroa. Uma moeda é binária. Mas imagine que você joga a moeda no ar e ela fica lançando indefinidamente. Enquanto está girando, é cara ou coroa? O que será se alguma vez aterrissar? Como você pode quantificar a moeda lançada? Essa é uma tentativa fraca de ilustrar superposição.

Então, como você faz um qubit? Bem, se os físicos quânticos não entendem a mecânica quântica, dificilmente poderíamos conseguir uma explicação adequada aqui. Vamos nos contentar com uma lista restrita de tecnologias sendo testadas para criar qubits:

• Circuitos supercondutores
• Spin qubits
• Armadilhas de íons
• Circuitos fotônicos
• Tranças topológicas

O mais popular deles são os dois primeiros. Os outros são sujeitos de pesquisa universitária. Na primeira técnica, os supercondutores são super-resfriados para eliminar a interferência eletromagnética. Mas os tempos de coerência são relativamente curtos e as coisas se deterioram. O professor Morello está trabalhando na técnica de rotação. As partículas quânticas têm carga elétrica, assim como os ímãs. Ao inserir pulsos de microondas, ele é capaz de fazer com que um elétron gire, em vez de descer, criando um transistor de elétron único.

Depois, resta a questão da tolerância a falhas e correção de erros. Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, conseguiram alcançar 99,4% de fidelidade com seus portões de qubit. Eles alcançaram 99,9% de fidelidade de porta na Universidade de Oxford. Então já chegamos?

Quão perto estamos?

Edwin Cartlidge faz esta pergunta em um artigo de outubro de 2016 para Optics & Photonics News. Um aviso do ETSI em 2015 de que as organizações devem mudar para técnicas de criptografia “quantum safe” deve informar que algo está no horizonte.

Google, Microsoft, Intel e IBM estão todos no jogo. Um dos limites que o Google está perseguindo é algo que eles denominaram "supremacia quântica". É usado para descrever o ponto em que um computador quântico faz algo que um computador clássico não pode.

A IBM planeja lançar um computador quântico "universal" em 2017, de acordo com David Castelvecchi na Scientific American. Apelidado de "IBM Q", será um serviço baseado em nuvem disponível na Internet mediante taxa. Você pode experimentar o que eles estão trabalhando experimentando a Experiência Quantum, agora disponível online. Mas Castelvecchi diz que nenhum desses esforços é mais poderoso que os computadores convencionais - ainda. A supremacia do quantum ainda não foi estabelecida.

Como o Techopedia relatou em 2013, o Google tem muitos aplicativos para um computador quântico maduro, uma vez desenvolvido. A Microsoft está trabalhando na computação quântica topológica. Várias startups estão aumentando e muito trabalho está sendo feito em campo. Mas alguns especialistas alertam que o prato ainda não está totalmente cozido. "Não estou divulgando nenhum comunicado de imprensa sobre o futuro", diz Rainer Blatt, da Universidade de Innsbruck, na Áustria. E o físico David Wineland diz: "Sou otimista a longo prazo, mas não sei o que significa" longo prazo "." (Veja 5 coisas legais que o Google Quantum poderia fazer).

Mesmo quando a supremacia da computação quântica for alcançada, não substitua seu laptop tão cedo. Os computadores quânticos, como seus equivalentes binários nos primeiros dias, podem ser apenas dispositivos especializados dedicados a fins específicos. Um dos usos mais comuns seria ter um computador quântico simular a mecânica quântica. Além de operações intensivas de computador, como previsão do tempo, o uso da computação quântica pode ser centralizado e limitado à nuvem. Claro, esse pode ser o lugar perfeito para isso.

Conclusão

O professor Morello identificou claramente o principal desafio da computação quântica. Antes de começar a codificar informações, você deve poder estabelecer dois níveis quânticos discretos com o qubit. Uma vez alcançada, a computação quântica “dá acesso a um espaço computacional exponencialmente maior” do que um computador clássico. Um computador quântico, por exemplo, com 300 qubits (N qubits = 2^N bits clássicos) seria capaz de processar mais bits de informação do que partículas no universo.

São muitos bits. Mas chegar daqui para lá vai levar algum tempo.