BREVÍSSIMA INTRODUÇÃO À COMPUTAÇÃO QUÂNTICA

RESUMO 

A computação quântica é uma tecnologia que está sendo desenvolvida para suprir atividades que a computação atual, mesmo com supercomputadores, não conseguem. Esta tecnologia parte da teoria quântica e da relatividade, partindo então da energia do átomo, começando do zero tudo que é relacionado ao desenvolvimento da lógica e arquitetura do computador. 

O QUÂNTICO

Primeiro vamos definir: “O que é quântico?”

Conforme o dicionário da Google, é um adjetivo utilizado no campo da física  

“[…]que diz respeito um sistema físico cujas grandezas da física observáveis assumem valores discretos, de tal modo que a passagem de um determinado valor para outro ocorre de maneira descontínua, segunda as leis da mecânica quântica”.  

Esse valor de forma descontínua é o que se refere a uns certos saltos da energia ao emitir ou absorver radiação, que se conhecem como quantos

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Figura 1Composição de um átomo e o salto de energia é quando um elétron passa para a próxima camada 

A física clássica explica sobre o comportamento de corpos relativamente grandes, porém não é capaz de aplicar para as partículas microscópicas. E com a física quântica permitiu o estudo da interação das moléculas, átomos e partículas subatômicas, como elétrons e fótons. 

Este ramo do conhecimento é especializado na análise da energia e da matéria (mecânica quântica) centrando-se em como se comportam sob diferentes ambientes, meios e situações. De acordo com a teoria quântica, todos os sistemas acomodam diferentes estados físicos que se podem descrever a partir de equações. Estes estados são designados estados quânticos. O termo quântico tem por objetivo tentar explicar os fenômenos da natureza de caráter submicroscópicos. 

Alguns estudiosos como Niels Henrick David Bohr colaborou com a física quântica com a investigação da estrutura dos átomos e nas radiações emitidas pelo mesmo. Já Albert Einstein auxiliou com a descoberta da lei do efeito fotoelétrico, teoria fundamental para estabelecer a teoria quântica. E com base nestas teorias foi aplicado na computação. 

 O COMPUTADOR QUÂNTICO 

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Figura 2Computador Quântico da Google 

A computação quântica é a aplicação da lógica do universo subatômico. Nesse momento denominamos de quantum os vários pacotes de energia quando as moléculas ganham ou perdem energia. Esse Quantum seria algo na teoria o pacote de dados de um computador “normal, essa energia liberada são os fótons, para transmissão da informação. 

Outra propriedade destas partículas é que elas podem assumir estados diferentes simultaneamente. Na física Clássica foi utilizada no computador junto com os princípios da lógica booleana, como os bits 0 e 1, partindo da lógica positivo/negativo, ligado/desligado. Em compensação no computador quântico, uma partícula pode assumir além de “0” ou “1”, agora ambos os estados. Aumentando exponencialmente a capacidade de processamento do dispositivo. Esses valores atribuídos são chamados de qubit, conforme a figura 3. 

Figura 3 Representação bit x Qubit 

A computação quântica é a ciência que utiliza os estudos da mecânica quântica para realização de processamento, aplicando a lógica e os princípios da física quântica. Com objetivo de processar grandes quantidades de informações, para resolver problemas que antes eram impossíveis, mesmo com os super computadores. 

E essa supremacia se dá justamente pelos qubits tem um valor simultâneo agregado, permitindo realizar múltiplas operações simultaneamente, pois o qubit atinge o estado de sobreposição e emaranhamento. Esse processo é subjetivo, fluido, como o funcionamento de um átomo. 

No circuito de um computador quântico, a informação passa sem precisar das funções lógicas, iguais os circuitos clássicos, mas sim de qubit em qubit, essa diferencial promove a alta velocidade de processamento de um computador quântico, por exemplo, 30 qubits equivale a 16 gigabyte, se eu aumentar para 40 qubits, a capacidade aumenta para 16 terabyte. Conforme a tabela de equivalência. 

Os computadores quânticos têm um grau de instabilidade na mesma intensidade que eles têm de velocidade de processamento. Pois suas partículas são mínimas e qualquer perturbação do ambiente, já altera ou há perca da informação. Isso estamos falando de vários fatores mínimos como temperatura ou vibrações. Esse é o principal desafio da construção do computador quântico, evitar que esses ruídos perturbem o equilíbrio das partículas. 

Por isso o computador quântico necessita de supercondutores operando em baixíssimas temperaturas, estamos falando em valores próximos ao zero absoluto (0 kelvin ou – 273ºC), tudo para manter os qubits “calmos”. Outro problema é que parte dos componentes eletrônicos não funcionam nestas temperaturas, com isso parte dos circuitos ficam fora do refrigerador, fazendo a comunicação via cabos, porém essa comunicação gera calor, criando a possibilidade de agitar os qubits e gerar falhas na informação. 

Figura 4: Processador Quântico fabricado pela IBM, com 5-qubits supercondutores (Q0,…,Q4Q0,…,Q4) 

Para que o computador quântico opere numa temperatura próxima ao zero absoluto, é necessário de um refrigerador de diluição com mais de 2 mil componentes, além de usar propriedades de dois isótopos de Hélio. O primeiro resfriamento ocorre no amplificador de sinal qubit interligados com cabos de entrada de micro-ondas, pois cada estágio do refrigerador é para proteger os qubits de interferências térmicas durante o envio de dados do processador e da leitura. A partir dos cabos coaxiais carregam os dados do primeiro para o segundo estágio realizados por supercondutores, no fim, o processador quântico fica dentro de um escudo que o protege da radiação eletromagnética, para preservar a qualidade dos qubits. 

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Figura 5: Como é a arquitetura do Computador Quântico

O exemplo de computador quântico que vem tendo os maiores resultados é o “Lustre” da IBM. O processamento quântico teve resultados em distâncias relativamente curtas. Um dos estudos foi utilizando cabos de fibra óptica de alta pureza, os dados percorreram 60 km, acima desta distância acontecem as taxas de erros, justamente por conta da incerteza quântica e das impurezas microscópicas na fibra. Outra pesquisa realizada que foi bem sucedida na transmissão de dados foi pelo ar, porém percorreu poucos centímetros de distâncias e em condições climáticas ideais. 

Os computadores quânticos da IBM têm estrutura pensada para facilitar a refrigeração extrema e garantir mais estabilidade (Foto:  Graham Carlow/divulgação )
Figura 6: “O LUSTRE” OS COMPUTADORES QUÂNTICOS DA IBM TÊM ESTRUTURA PENSADA PARA FACILITAR A REFRIGERAÇÃO EXTREMA E GARANTIR MAIS ESTABILIDADE (FOTO: GRAHAM CARLOW/DIVULGAÇÃO) 

Para incentivar os estudos da computação quântica, a IBM liberou um serviço online que dá acesso gratuito à sua plataforma de computação quântica tanto via PC quanto via dispositivos móveis. 

APLICAÇÕES DA COMPUTAÇÃO QUÂNTICA 

Tantos estudos e investimentos para o bom funcionamento da computação quântica, tem que ter um motivo, um propósito, um porquê. Dividiremos em duas partes, uma focada na área da segurança da informação e outra o futuro da computação quântica. 

SEGURANÇA DA INFORMAÇÃO 

A maior aposta da computação quântica que está se fazendo no ramo da segurança da informação está em relação à Criptografia. 

A criptografia é um sistema de algoritmos matemáticos que codificam dados do usuário para somente o remetente e o destinatário possam ter acesso à informação. Esse sistema se baseia na multiplicação de 2 grandes números primos. 

Na computação clássica esse sistema é extremamente seguro, pois para tentar decifrar uma criptografia, o computador faz as tentativas de decifrar, só que como os bit são 0 ou 1, é feito apenas 1 operação por vez. Já o computador quântico, por realizar simultaneamente mais de uma operação por vez, consegue decifrar em 15 min uma criptografia que a computação clássica demoraria anos. 

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Figura 7 Exemplo de problemas: Privacidade e bitcoins 

E há diversas problemáticas em relação a quebra da criptografia, a principal dela é a inexistência da privacidade no tráfego da informação, outro exemplo é os bitcoins, moeda criptografada, será desvalorizada com a quebra da criptografia e parte da população perderia seus rendimentos. 

Por isso está em desenvolvimento a criptografia quântica. Baseada na incerteza do universo quântico, criando um canal de comunicação impossível de ser monitorado sem interferir na transmissão de dados. 

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Figura 8 Como aconteceria a criptografia quantica 

Partindo da mecânica quântica, as partículas não existem em um lugar específico, ela pode estar em vários lugares ao mesmo tempo, havendo alteração associada de lugar, conforme quem a observa. Quando um cientista mede a partícula, ela colapsa para sua posição, caso ele tente medir mais de uma característica, a partícula é destruída. 

Esta incerteza é utilizada para gerar uma chave secreta. Pois os fótons vibram em alguma direção angular, quando um fóton não está polarizado ele pode estar em qualquer direção. A partir do momento que muitos fótons está na mesma direção, eles estão polarizados. Para polarizar, criamos filtros para os fótons sejam polarizados e lidos no filtro do destinatário. Conforme a figura 8, mostra as incertezas no envio da mensagem de Alice para Bob 

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Figura 9 Polarização atravez da fonte de luz para o envio de mensagem pela criptografia quantica 

O FUTURO DA COMPUTAÇÃO QUÂNTICA. 

Como a computação quântica permite realizar múltiplas tarefas simultaneamente, é possível criar fórmulas, criar componentes químicos que antes não era possível por conta da limitação da computação clássica.  Alguns exemplos: 

  • Um deles é compreensão da fixação do nitrogênio no solo é realizado por uma molécula que não era possível de desvendar. 
  • A indústria farmacêutica se beneficiará em desenvolver novos “remédios” e ainda a possibilidade de testá-los no próprio computador quântico, sem utilizar pessoas e animais aos testes. 
  • Resolver a captura do carbono no processo de fotossíntese 
  • Encontrar possibilidade de criar materiais com características especiais, como alta reflexão, resistência a calor, entre outros.  
  • Além de favorecer o desenvolvimento da inteligência artificial, principalmente na produção de robôs com comportamentos típicos dos humanos, como linguagem, discurso e visão. 

Esse vídeo ele é bem auto explicativo para compreender um pouquinho mais esse universo que está sendo estudado e desenvolvido para garantir avanços na medicina, na segurança de dados! 

Disponíveis em: https://www.ted.com/talks/shohini_ghose_quantum_computing_explained_in_10_minutes/transcript?language=pt-br#t-8828 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Disponíveis em:  https://conceito.de/quantico 

Disponíveis em: https://www.significados.com.br/fisica-quantica/ 

Disponíveis em: https://www.uol.com.br/tilt/reportagens-especiais/como-o-google-alcancou-a-supremacia-quantica/#tematico-1 

Disponíveis em: https://www.gta.ufrj.br/grad/01_2/cripto/ 

Disponíveis em: https://www.uol.com.br/tilt/noticias/redacao/2019/10/23/5-coisas-para-entender-o-que-e-computacao-quantica.htm 

Disponíveis em: http://caminhodecanoa.blogspot.com/2014/12/criptografia-quantica.html 

Disponível em: https://epocanegocios.globo.com/Tecnologia/noticia/2019/02/como-computacao-quantica-vai-abalar-os-negocios-para-sempre.html

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