24/10/2010

O computador quântico

  O computador quântico de 16 qutbits 




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 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 0, 1 ou 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 átomos, íons, fótons ou 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.
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.
Os computadores quânticos hoje
Os computadores quânticos podem substituir os chips de silício um dia, assim como o transistor substituiu o tubo a vácuo. Por hora, a tecnologia requerida para desenvolver tal computador está além do nosso alcance. A maioria das pesquisas em informática quântica ainda é muito teórica.
Os computadores quânticos mais avançados ainda não foram além da manipulação de mais de 16 qubits, o que significa que eles ainda estão longe da aplicação prática. Permanece, portanto, o potencial dos computadores quânticos de realizar com facilidade e rapidez cálculos que demandam uma grande quantidade de tempo em computadores convencionais. Vários avanços-chave foram feitos na computação quântica nos últimos anos. Vamos dar uma olhada nos poucos computadores quânticos que já foram desenvolvidos.

1998

Pesquisadores do Laboratório Nacional Los Alamos e do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) conseguiram propagar um único qubit por três giros nucleares em cada molécula de uma solução líquida de alanina (um aminoácido usado para analisar o estado de desintegração quântica) ou de moléculas de tricloroetileno (hidrocarboneto clorado usado para a correção de erro quântico). A propagação do qubit tornou difícil para ele corromper-se, permitindo aos pesquisadores usar o entrelaçamento para estudar a interação entre os estados como um método indireto para análise de informação quântica.

2000
Em março, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos anunciaram o desenvolvimento de um computador quântico de 7 qubits dentro de uma única gota de líquido. O computador quântico utiliza a RMN para manipular partículas dentro do núcleo atômico das moléculas de ácido transcrotônico, um fluido simples que consiste de moléculas feitas de seis átomos de hidrogênio e quatro de carbono. A RMN é utilizada para aplicar pulsos eletromagnéticos, que fazem com que as partículas se alinhem. Essas partículas, em posições paralelas ou em sentido contrário ao campo magnético, permitem que o computador quântico controle a codificação de informações em bits para computadores digitais.

Em agosto, pesquisadores do Centro de Pesquisas Almaden da IBM desenvolveram o que eles alegam ser o mais avançado computador quântico até o presente. O computador quântico de 5 qubits foi projetado para permitir que os núcleos de cinco átomos de flúor interagissem entre si, programado por pulsos de rádio-freqüência e detectado por instrumentos de ressonância magnética nuclear (RMN) semelhantes aos utilizados em hospitais (veja Como funciona a geração de imagens por ressonância magnética para detalhes). Comandada pelo Dr. Issac Chuang, a equipe da IBM foi capaz de resolver em uma etapa um problema matemático que computadores convencionais levariam repetidos ciclos para resolver. O problema, chamado order-finding, envolve encontrar o período de uma determinada função, um aspecto típico de muitos problemas matemáticos na área da criptografia.

2001
Cientistas da IBM e da Universidade de Stanford demonstraram com sucesso o Algoritmo de Shor em um computador quântico. O Algoritmo de Shor é um método para descobrir os fatores primos dos números (que tem um papel intrínseco na criptografia). Eles usaram um computador de 7 qubits para descobrir os fatores de 15. O computador deduziu corretamente que os fatores primos eram 3 e 5.
2005
O Instituo de Ótica Quântica e Informação Quântcia da Universidade de Innsbruck anunciou que cientistas tinham criado o primeiro qubyte, ou série de 8 qubits, usando armadinhas de íon.
2006
Cientistas em Waterloo e Massachusetts distinguiram métodos para controle quântico em um sistema de 12 qubits. O controle quântico se torna mais complexo à medida que o sistema emprega mais qubits
  2007
A companhia canadense recém-criada D-Wave demonstrou um computador de 16 qubits. O computador resolveu um quebra-cabeça Sudoku e outros problemas de combinação de padrões. A companhia alegava que iria produzir sistemas práticos em 2008 (em dezembro de 2008, a empresa apresentou não um computador quântico comercial, mas apenas um chip de 128 qubits). Os céticos de plantão acreditam que computadores quânticos práticos ainda estão a anos-luz de distância, que o sistema que a D-Wave criou não era escalável, e que muitas das afirmações no Web site da D-Wave são simplesmente impossíveis (ou ao menos impossíveis de saber ao certo dada nossa compreensão da mecânica quântica).
Se computadores quânticos funcionais puderem ser construídos, serão de grande valia para a fatoração de grandes números e, assim, extremamente úteis para a codificação e decodificação de informações secretas. Se um computador quântico fosse construído hoje, nenhuma informação na Internet seria segura. Nossos atuais métodos de criptografia são simples em comparação com os complicados métodos possíveis em computadores quânticos, que também poderiam ser usados para pesquisar extensos bancos de dados em bem menos tempo do que um computador convencional.Outras aplicações podem incluir o uso de computadores quânticos para estudar mecânica quântica, ou mesmo para projetar outros computadores quânticos.
Contudo, a computação quântica ainda está em seu estágio inicial de desenvolvimento, e muitos cientistas acreditam que a tecnologia para criar um computador quântico prático está a anos de distância. Os computadores quânticos devem ter no mínimo algumas dúzias de qubits para serem capazes de resolver problemas do mundo real e, então, servir como um método de computação viável.


Criado primeiro processador quântico de estado sólido

Inovação Tecnológica - 30/06/2009



Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Yale, nos Estados Unidos, apresentou o primeiro protótipo de um processador quântico de estado sólido, dando mais um passo na longa trilha para a construção de um computador quântico prático.
O processador quântico, fabricado com materiais supercondutores, tem apenas dois qubits (qubit é um bit quântico). Mesmo sendo bastante rudimentar, sua estrutura sólida é um dos elementos mais promissores da pesquisa. Outros experimentos com computadores quânticos utilizam átomos artificiais ou condensados de Bose-Einstein, que são muito difíceis de manter e perdem a coerência espontaneamente, levando junto os dados do "computador."
Um bom começo: 2 qubits
A equipe dos cientistas Robert Schoelkopf e Steven Girvin já detinha os progressos mais recentes no campo da computação quântica. Há cerca de dois anos, eles demonstraram pela primeira vez a possibilidade de comunicação entre dois qubits à distância - veja Cientistas anunciam dois avanços significativos rumo ao computador quântico.
Agora os pesquisadores montaram seus dois qubits em uma estrutura compacta e demonstraram que ele é capaz de rodar algoritmos simples, como uma busca por um número em uma sequência de números.
"Nosso processador consegue desempenhar apenas uns poucos cálculos quânticos, que já foram demonstrados antes com núcleos individuais, com átomos e com fótons," explica Schoelkopf. "Mas esta é a primeira vez que esses cálculos quânticos foram feitos em um dispositivo totalmente eletrônico que já se parece muito com um microprocessador tradicional."
1 bilhão de átomos de alumínio
Cada um dos dois qubits do processador quântico é na verdade formado por cerca de 1 bilhão de átomos de alumínio, o que demonstra o potencial de avanço da computação quântica - teoricamente, cada um desses átomos poderá vir a se transformar em um qubit individual. Mas, no interior do processador quântico, esse aglomerado de átomos de alumínio se comporta como se fosse um só, formando o que os cientistas chamam de um superátomo.
O qubit pode assumir dois estados energéticos, que representam o ligado e o desligado dos transistores - ou os 0s e 1s - dos computadores eletrônicos tradicionais. Mas as semelhanças vão parando por aí.
Manutenção da coerência quântica
Devido às quase bizarras leis da mecânica quântica, cada qubit pode de fato ficar em múltiplos estados simultaneamente - ele pode ser 0, pode ser 1, pode ser 0 e 1, e assim por diante, só que tudo ao mesmo tempo. É isso que dá um poder fenomenal de cálculo e de armazenamento de informações aos computadores quânticos.
O problema é que é difícil fazer com que os qubits guardem seus dados por muito tempo. Nos primeiros experimentos de computação quântica, os qubits conseguiam guardar a informação por cerca de um nanossegundo - 1 bilionésimo de segundo.
Os qubits do processador quântico que os pesquisadores agora apresentaram conseguem manter os dados por 1 microssegundo, o que já é 1.000 vezes melhor do que no início das pesquisas, e suficiente para fazer cálculos simples.
Para fazer os cálculos, os qubits trocam dados usando diretamente a luz. O barramento quântico do chip usa fótons de micro-ondas que viajam na superfície de um fio que conecta os dois qubits.
Em vez da perda de coerência espontânea dos átomos artificiais, os pesquisadores agora conseguem que o seu superátomo mude de estado - assumindo 0 ou 1 - de forma imediata, atendendo a um comando externo. Isso só pôde ser alcançado com o uso de supercondutores, nos quais as correntes elétricas podem fluir indefinidamente sem qualquer resistência e, portanto, sem perder qualquer energia. Isso é essencial para que o qubit não perca seus dados de forma descontrolada.
Um passo de cada vez
O próximo passo da pesquisa, segundo os cientistas, será aumentar o tempo que os qubits conseguem manter seus estados quânticos - o que equivale a dizer manter seus dados - para que o processador quântico possa rodar algoritmos mais complexos. A seguir, eles tentarão interconectar mais qubits dentro do processador.
"Nós continuamos muito longe de construir um computador quântico prático, mas este foi um passo adiante importante," afirmou Schoelkopf.
Entrelaçamento de 3 qubits deixa computação quântica mais próxima

Inovação Tecnológica - 21/10/2010

Qubits supercondutores
Embora outras equipes já tivessem entrelaçados outros tipos de qubits - até 10 qubits de fótons, por exemplo - ninguém até hoje havia conseguido entrelaçar mais do que 2 qubits supercondutores.
Qubits supercondutores são dispositivos de estado sólido, muito mais robustos do que os aparatos exigidos por outros tipos de qubits. Isso significa que é mais fácil construir circuitos lógicos com eles.
O entrelaçamento quântico é um fenômeno no qual duas ou mais "partículas" em escala atômica tornam-se indissociáveis, de modo que a medição de certas propriedades de uma revela informações sobre a outra, mesmo se elas estiverem separadas por milhares de quilômetros.
"O entrelaçamento quântico entre três objetos já havia sido demonstrado antes com fótons e partículas carregadas," explica Steven Girvin, membro da equipe da Universidade de Yale. "Mas este é o primeiro dispositivo de estado sólido de três qubits, que se parece e se comporta com um microprocessador convencional."
Martinis trabalha no laboratório do professor Robert Schoelkopf, onde foi criado oprimeiro processador quântico de estado sólido, em 2009. Outros feitos da equipe no campo da computação quântica incluem a transmissão e a recepção de informações quânticas e a interligação entre átomos artificiais usando micro-ondas.
O novo resultado baseia-se no processador quântico de estado sólido, desenvolvido em 2009.


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