Como funcionam os computadores quânticos, já se perguntou?
A enorme capacidade de processamento criada pelos fabricantes de computador ainda não foi capaz de saciar nosso ávido desejo por velocidade.Em 1947, o engenheiro da computação Howard Aiken disse que bastariam seis computadores digitais eletrônicos para satisfazer as necessidades dos Estados Unidos.
Outros fizeram previsões igualmente desastrosas de quanta capacidade de processamento eletrônico seria necessária para as crescentes necessidades tecnológicas mundiais.
Naturalmente Aiken não considerou os vastos volumes de dados gerados pela pesquisa científica, a proliferação de computadores pessoais ou o surgimento da Internet, que apenas alimentou nossa necessidade por mais, mais e mais potência dos computadores.
Será que algum dia teremos computadores com a potência que necessitamos ou desejamos?
Como declara a Lei de Moore, se o número de transistores em um microprocessador continuar dobrando a cada 18 meses, no ano 2020 ou 2030 os circuitos em um microprocessador serão medidos em escala atômica.O próximo passo lógico será a criação de computadores quânticos, que vão utilizar a potência de átomos e moléculas para realizar funções de memória e processamento.
Os computadores quânticos têm potencial para realizar cálculos bilhões de vezes mais rápido que qualquer computador baseado em silício.
Cientistas já criaram computadores quânticos básicos que podem realizar certos cálculos, mas um computador quântico, na prática, ainda está a anos de acontecer.
Nesta edição, você vai aprender o que é um computador quântico e para que ele será usado na próxima era da computação.
Não é preciso voltar muito no tempo para encontrar as origens do computador quântico.
Eles foram idealizados há apenas 20 anos atrás, por um físico do Laboratório
Nacional de Argonne (em inglês), Paul Benioff, creditado como a primeira pessoa a aplicar a teoria quântica a computadores em
1981.
Benioff idealizou a criação de uma máquina de Turing quântica.
A maioria dos computadores digitais, como o que você está usando para ler este artigo, é baseada na Teoria de Turing.
Definindo o computador quântico:
A esfera de Bloch é uma representação de um qubit, o bloco de construção básico dos computadores quânticos.A máquina de Turing, desenvolvida por Alan Turing nos anos 30, consiste em uma fita de comprimento ilimitado dividida em pequenos quadrados.
Cada quadrado pode comportar um valor (1 ou 0) ou ser deixado em branco.
Um dispositivo de leitura e gravação lê esses valores e espaços em branco, o que fornece à máquina instruções para executar determinado programa.
Soa familiar?
Bem, a diferença na máquina de Turing quântica é que a fita existe em um estado quântico, assim como o cabeçote de leitura e gravação.
Isso significa que os valores na fita podem ser;
1) 0,2) 1
3) uma sobreposição de 0 e 1;
Em outras palavras, os símbolos são 0 e 1 (e todos os pontos entre eles) ao mesmo tempo.
Enquanto uma máquina de Turing normal pode realizar apenas um cálculo por vez, sua versão quântica pode realizar várias de uma vez só.
Os computadores de hoje, como a máquina de Turing, funcionam pela manipulação de bits que existem em dois estados.
0 ou 1.
Os computadores quânticos não são limitados a dois estados, eles codificam as informações como bits quânticos, ou qubits, que podem existir em sobreposição.
Qubits representam:
1) Atomos,2) Ions,
3) Fótons
4) Elétrons
E seus respectivos dispositivos de controle que trabalham juntos para agir como uma memória de computador e um processador.
Como um computador quântico pode conter esses estados múltiplos simultaneamente, ele tem potencial de ser milhões de vezes mais potente que os supercomputadores atuais.
Controle de qubits:
Cientistas da computação controlam as partículas microscópicas que agem com qubits nos computadores quânticos usando os seguintes dispositivos de controle:Armadilhas de íons usam campos óticos ou magnéticos (ou uma combinação de ambos) para prender os íons.
Armadilhas óticas usam ondas de luz para prender e controlar partículas.
Pontos quânticos são feitos de material semicondutor e são usados para conter e manipular elétrons.
Impurezas semicondutoras contêm elétrons ao usar átomos indesejados encontrados no material semicondutor.
Circuitos supercondutores permitem aos elétrons fluírem com quase nenhuma resistência a temperaturas muito baixas.
Essa sobreposição de qubits é o que dá aos computadores quânticos seu paralelismo inerente.
De acordo com o físico David Deutsch, esse paralelismo permite que um computador quântico realize 1 milhão de cálculos ao mesmo tempo, enquanto que o seu PC faz apenas um.
Um computador quântico de 30 qubits deve igualar a potência de um computador convencional a 10 teraflops, trilhões de operações de ponto flutuante por segundo.
Os computadores pessoais de hoje rodam a velocidades medidas em gigaflops (bilhões de operações de ponto flutuante por segundo).
Os computadores quânticos também utilizam outro aspecto da mecânica quântica conhecido como entrelaçamento.
Um problema com a ideia de computadores quânticos é que se você tentar olhar as partículas subatômicas, pode danificá-las, alterando o seu valor.
Se você observar um qubit em sobreposição para determinar seu valor, o qubit vai assumir o valor 0 ou 1, mas não ambos, efetivamente tornando seu computador quântico um computador digital normal.
Para fazer um computador quântico, os cientistas devem determinar maneiras de medir, indiretamente, de modo a preservar a integridade do sistema.
O entrelaçamento fornece uma resposta potencial.
Na física quântica, quando se aplica uma força externa a dois átomos, isso pode torná-los entrelaçados, fazendo com que o segundo átomo adote as propriedades do primeiro.
Se for deixado em paz, o átomo vibrará em todas as direções, mas no momento em que houver interferência, ele vai escolher um giro (valor).
Ao mesmo tempo, o segundo átomo entrelaçado irá escolher um giro (valor) contrário.
Isso permite que cientistas saibam o valor dos qubits sem precisar, de fato, olhá-los.
Vamos dar uma olhada em alguns dos recentes avanços em computação quântica.
