Computação quântica

A computação quântica é a ciência que estuda as aplicações das teorias e propriedades da mecânica quântica na Ciência da Computação. Dessa forma seu principal foco é o desenvolvimento do computador quântico.

Introdução

Na computação clássica o computador é baseado na arquitetura de Von Neumann que faz uma distinção clara entre elementos de processamento e armazenamento de dados, isto é, possui processador e memória destacados por um barramento de comunicação, sendo seu processamento sequencial.

Entretanto os computadores atuais possuem limitações, como por exemplo na área de Inteligência Artificial(IA) onde não existem computadores com potência ou velocidade de processamento suficiente para suportar uma IA avançada. Dessa forma surgiu a necessidade da criação de um computador diferente dos usuais que resolvesse problemas de IA, ou outros como a fatoração de números primos muito grandes, logaritmos discretos e simulação de problemas da Física Quântica.

A Lei de Moore afirma que a velocidade de um computador é dobrada a cada 18 meses. Assim sempre houve um crescimento constante na velocidade de processamento dos computadores. Entretanto essa evolução pode atingir um certo limite, um ponto onde não será possível aumentar essa velocidade e então se fez necessário uma revolução significativa na computação para que este obstáculo fosse quebrado. E assim os estudos em Computação Quântica se tornaram muito importantes e a necessidade do desenvolvimento de uma máquina extremamente eficiente se torna maior a cada dia.

História

A história da computação quântica se entrelaça com a história da computação clássica. Após os grandes avanços do paradigma clássico de computação e a evolução dos transistores, aparentemente estamos chegando aos limites que esse paradigma pode nos fornecer. Dentro deste contexto a computação quântica nasce, fruto dos esforços de inúmeros pesquisadores, como Richard Feynman.

Graças aos estudos de pesquisadores como David Deutsch, Peter Shor e Lov Groover (entre outros), existe um cabedal de conhecimento do que será a grande mudança do século XXI, a mudança do paradigma da computação clássica para o modelo quântico.

Quebras de paradigmas

A computação quântica quebra inúmeros paradigmas da computação clássica, aonde podemos dividir os problemas em "problemas tratáveis" e "problemas intratáveis".

Todos os elementos que mudam as estruturas clássicas vem das mudanças que a física clássica trouxe. Físicos como Heisenberg, Bohr, Schrödinger e Einstein estudaram esses novos fundamentos. Dentre eles podemos destacar:

• Sobreposição quântica
• Experiência do Gato de Schrödinger
• Entrelaçamento quântico ou "Ação fantasmagórica à distância"
• Portas lógicas quânticas
• Memórias quânticas
• Teletransporte quântico
• Espalhamento de Rutherford
• Existência de multiverso

Princípios da Computação Quântica

A Mecânica Quântica é considerada a mais bem sucedida teoria física. Pois desde a sua criação até os dias atuais, ela tem sido aplicada em diversos ramos, desde a física de partículas, atômica e molecular até a astrofísica e matéria condensada.

Na computação quântica a unidade de informação básica é o bit quântico ou q-bit. O fato da computação quântica ser tão poderosa está no fato de que além de assumir '0' ou '1' como na computação clássica, ela pode assumir ambos os estados '0' e '1' ao mesmo tempo. Parece estranho algo assumir os dois estados diferentes ao mesmo tempo, mas a experiência mental do Gato de Scrödinger pode dar um sentido intuitivo à situação. E á graças à essa propriedade da superposição de estados que motivou os estudos em computação quântica. Se na computação clássica o processamento é sequencial, na computação quântica o processamento é simultâneo.

Imagine que uma pessoa precise encontrar o contato de telefone de alguma pessoa em uma lista, na computação clássica é como se ela olhasse em cada nome conferindo se é o contato procurado. Já em um processamento quântico é como se uma pessoa conseguisse conferir vários nomes a cada processamento.

O q-bit é descrito por um vetor estados em um sistema quântico de dois níveis o qual é equivalente a um vetor de espaço bidimensional sobre números complexos. Usa-se a notação de bra-ket para representá-los:

$|0\rangle ={\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}}e|1\rangle ={\begin{bmatrix}1\\0\end{bmatrix}}$

Assim, o estado de um q-bit pode ser representado por:

$|\psi \rangle =\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ,\,$

O conjunto ${|0\rangle ,|1\rangle }$ forma uma base no espaço de Hilbert de duas dimensões chamada de base computacional.

Pesquisa hoje

Ainda não existe hoje um computador inteiramente quântico funcionando. Porém, empresas como a canadense "D-Wave", entre outras tem feito promessas, que se forem cumpridas, anunciarão um novo horizonte para a realidade e o mercado de computadores domésticos, científicos e corporativos.

As dificuldades de se criar um computador quantico reside no fato de que os processos computacionais passam a ser no universo atômico, que carece de tecnologias de manipulação ainda.

Referências

• Livro "A revolução dos Q-bits" - Ivan Oliveira
• Livro "O que é computação quantica?" - Galvão, Ernesto F.
• Livro "Computação Quântica e Informação Quântica" - Nielsen, Michael A.; Chuang, Isaac L.
• Eureka Alert