o que é a computação quântica? Computadores regulares operam de acordo com regras estritas de lógica. Mas minúsculos objetos quânticos, tais como elétrons ou fótons de luz – pode quebrar essas regras
computação Quântica é a idéia de que podemos usar esse quantum regra de quebra de processar informações em uma nova maneira totalmente diferente de como regular os computadores funcionam. Isso faz deles, em alguns casos, exponencialmente mais rápidos do que qualquer computador regular.
por exemplo, um computador quântico poderia facilmente quebrar os códigos que mantêm a banca de internet Segura.Então, como um supercomputador?
não exactamente. Um computador quântico não é apenas um computador” mais rápido”. Há algumas tarefas específicas – como factoring números muito grandes-em que um computador quântico seria incrível. (É aqui que entra a ranhura do Código – ver abaixo.) But for most jobs, a quantum computer would be little better than a regular computer.Então para que poderia ser usado um computador quântico?Eles provavelmente serão mais úteis para agências governamentais, empresas de pesquisa e desenvolvimento e universidades na resolução de problemas com os quais os computadores atuais lutam.
a primeira ideia prática, proposta pelo físico Richard Feynman em 1981, foi usar um computador quântico para simular a mecânica quântica. Isso teria impacto na química e biologia. Os químicos, por exemplo, poderiam modelar com precisão as interações medicamentosas e os biólogos poderiam estudar todas as formas possíveis de as proteínas se dobrarem e interagirem entre si.Enquanto os computadores quânticos eram uma vez uma curiosidade acadêmica, o interesse explodiu em 1994, quando o matemático americano Peter Shor encontrou uma maneira de usar computadores quânticos para quebrar códigos.
atualmente, muitos sistemas de segurança on-line funcionam com o princípio de que é quase impossível pegar um número muito grande e descobrir quais são seus principais fatores. Tudo o que um computador normal pode fazer é tentar todas as possibilidades um após o outro – uma tarefa que pode levar bilhões de anos. Usando o algoritmo de Shor, um computador quântico pode executar a tarefa em poucas horas.Computadores quânticos também poderiam ser fantásticos no reconhecimento de padrões em dados úteis para problemas de aprendizagem de máquinas, tais como ser capaz de identificar diferentes objetos em uma imagem. Eles poderiam ser grandes na construção de modelos para prever o futuro, como na previsão do tempo de longo prazo.
mas, em última análise, os usos da computação quântica são imprevisíveis. Considere isso em 1943, Thomas Watson, o presidente da IBM disse: “Eu acho que há um mercado mundial para talvez cinco computadores.”Agora há cinco em cada casa.Se precedente é algum guia, ainda não imaginámos qual será o uso dos computadores quânticos.
como funciona a computação quântica?
os computadores regulares são baseados em “bits” – imagine-os como pequenos interruptores apontando para um 1 ou um 0.
a computação quântica baseia-se em bits quânticos, ou “qubits”, que também pode representar um 0 ou um 1. O crazy thing é, qubits can also achieve a mixed state, called a “superposition” where they are both 1 and 0 at the same time. Esta ambiguidade – a capacidade de “ser” e “não ser” – é a chave para o poder da computação quântica.Como é que a superposição ajuda?
the difference between regular computers and quantum computers boils down to how they approach a problem.
um computador regular tenta resolver um problema da mesma forma que você pode tentar escapar de um labirinto – tentando cada corredor possível, voltando para trás em becos sem saída, até que você eventualmente encontrar a saída. Mas a superposição permite que o computador quântico tente todos os caminhos de uma vez-em essência, encontrando o atalho.
dois bits no seu computador podem estar em quatro estados possíveis (00, 01, 10, ou 11), mas apenas um deles a qualquer momento. Isto limita o computador a processar uma entrada de cada vez (como tentar um corredor no labirinto).
em um computador quântico, dois qubits também podem representar exatamente os mesmos quatro estados (00, 01, 10, ou 11). A diferença é que, por causa da superposição, os qubits podem representar todos os quatro ao mesmo tempo. É um pouco como ter quatro computadores normais a funcionar lado a lado.Se adicionar mais bits a um computador regular, ele ainda pode lidar apenas com um estado de cada vez. Mas como você adiciona qubits, o poder do seu computador quântico cresce exponencialmente. Para os matematicamente inclinados, podemos dizer que se você tem “n” qubits, você pode simultaneamente representar Estados 2n.)
é como aquela velha fábula sobre um índio antigo, chamado Sessa, que inventou o jogo de xadrez. O rei ficou encantado com o jogo e pediu a Sessa para nomear sua recompensa. Sessa humildemente pediu um único tabuleiro de xadrez com um grão de trigo na primeira praça, dois na segunda, quatro na terceira e assim por diante. O rei concordou imediatamente, não sabendo que tinha prometido mais Trigo do que existia na Terra. Esse é o poder do crescimento exponencial.
assim como cada quadrado dobrou o trigo de Sessa, cada qubit adicional duplica a potência de processamento. Três qubits dão-lhe 23, que são oito estados ao mesmo tempo; quatro qubits dão-lhe 24, que são 16. E 64 qubits? Eles dão-te 264, o que é 18.446.744.7073.709.600.000 possibilidades! Isso vale cerca de um milhão de terabytes.Enquanto 64 bits regulares também podem representar este enorme número (264) de Estados, ele só pode representar um de cada vez. Para circular através de todas estas combinações, a dois bilhões por segundo (que é uma velocidade típica para um PC moderno), levaria cerca de 400 anos.
All this means quantum computers could tackle problems which are “practically impossible” for classical computers.
mas para obter essa velocidade exponencial, o destino de todos os qubits tem que ser ligado em um processo chamado entrelaçamento quântico. Este fenômeno estranho, que Einstein chamou de “ação assustadora a uma distância”, Pode conectar partículas quânticas mesmo que estejam em extremos opostos do universo.O que faz um qubit?
para fazer um qubit, você precisa de um objeto que pode atingir um estado de superposição quântica entre dois estados.Um núcleo atômico é um tipo de qubit. A direção de seu momento magnético (é” spin”) pode apontar em diferentes direções, dizer para cima ou para baixo em relação a um campo magnético.
o desafio é colocar e, em seguida, abordar esse átomo único.
uma equipe australiana liderada por Michelle Simmons na Universidade de Nova Gales do Sul, fez qubits atômicos colocando um único átomo de fósforo em uma posição conhecida dentro de um cristal de silício.
outra ideia é retirar um electrão do átomo e transformá-lo num ião. Então você pode usar campos eletromagnéticos para suspender o íon no espaço livre, disparando lasers nele para mudar seu estado. Isto faz com que seja um computador quântico de” iões presos”.
Uma corrente em um ciclo de supercondutores de metal também pode estar em uma superposição (entre a direita e a esquerda), um pouco como um pouco de corrida em esteira a frente e para trás ao mesmo tempo.Um fóton de luz pode estar em superposição na direção em que está acenando. Alguns grupos têm vindo a montar circuitos quânticos enviando fótons em torno de um labirinto de fibras ópticas e espelhos.
como você cria a superposição?Já tentou equilibrar uma moeda exactamente no seu bordo? É assim que é programar um qubit. Trata-se de fazer alguma coisa a um qubit para que, de certo modo, acabe “equilibrado” entre Estados.
no caso do núcleo atômico, isto pode ser através de zapping-lo com um campo elétrico ou magnético, deixando é com uma probabilidade igual de girar de uma maneira ou de outra.
então como você lê informações dos qubits?
há uma aura do místico sobre o que acontece durante uma computação quântica. Os físicos mais distantes descrevem os qubits como engajados em uma espécie de séance quântica com mundos paralelos para adivinhar a resposta.Mas não é magia, é apenas mecânica quântica.Digamos que tem o seu novo computador qubit quântico de 64 qubit a funcionar para o seu primeiro cálculo. Colocas todos os 64 qubits em sobreposição, como 64 moedas Todas balanceadas na borda. Juntos, eles têm 264 possíveis estados no limbo. Sabe que um destes Estados representa a resposta certa. Mas qual deles?
o problema é que ler os qubits faz com que a superposição colapse – como bater o punho na mesa com todas aquelas moedas equilibradas.
aqui é onde um algoritmo quântico como o de Shor vem a calhar. Ele carrega os qubits para torná-los mais propensos a cair no lado correto, e nos dar a resposta certa.Algum computador quântico já foi construído?
aparentemente sim, embora nenhum deles possa fazer alguma coisa que supere os computadores convencionais ainda.
The last three years has seen dramatic progress in quantum computing. Enquanto em 2016 A revista Nature estava celebrando um computador qubit desenvolvido pelo Google researchers. Dezoito meses depois, em dezembro de 2017, A IBM relatou seu computador qubit quantum. Em quatro meses, o Google tinha voltado à frente com o seu computador qubit ‘Bristlecone’ quântico de 72 qubits. Enquanto isso, a IBM produziu o primeiro computador quântico disponível comercialmente-fornecendo acesso em nuvem a sua 20 qubit Q sistema uma máquina, por um preço.
D-Wave is still way ahead with its of creating using 2000 superconducting loops as qubits, although some physicists are sceptical that D-Wave has built a true quantum computer.
todos os grandes jogadores têm o próximo grande marco em suas vistas:’supremacia quântica’. Isto significa quando um computador quântico resolve um problema além das capacidades das máquinas clássicas. Teoricamente, isto deve ser possível com uma máquina de 50 qubits, mas apenas se as taxas de erro forem baixas o suficiente.Por que é tão difícil construir um computador quântico?
há desafios em todos os níveis, desde a montagem de qubits, a leitura e escrita de informações sobre eles, para fechar a informação para trás e para a frente, sem que ela desapareça em um sopro de incerteza.
a qubit is the ultimate diva. Enquanto uma estrela de Hollywood pode exigir um vestiário gigantesco e um banho cheio de pétalas de rosa, um qubit exige isolamento perfeito e um termóstato fixado em um centésimo de um grau acima de zero absoluto. A menor vibração de um átomo próximo pode causar um qubit para lançar uma tantrum quântico, e perder a sua superposição.
a dificuldade primordial é como manter os Estados delicados de superposição e entrelaçamento o tempo suficiente para executar um cálculo – o chamado tempo de coerência.
Apesar de este desafio, a corrida para construir o primeiro computador quântico prático tornou-se um dos grandes desafios científicos da nossa época – envolvendo milhares de físicos e engenheiros em dezenas de institutos de pesquisa espalhados pelo mundo.