O que é computação quântica?

A computação quântica promete resolver alguns dos maiores desafios do nosso planeta - nas áreas de meio ambiente, agricultura, saúde, energia, clima, ciência dos materiais e muito mais. Para alguns desses problemas, a computação clássica é cada vez mais desafiada à medida que o tamanho do sistema cresce. Quando projetados para escalar, os sistemas quânticos provavelmente terão recursos que excedem os dos supercomputadores mais poderosos de hoje.

Este artigo explica os princípios da computação quântica, como ela se compara à computação clássica e como ela usa os princípios da mecânica quântica.

Por que usar computadores quânticos?

A ideia de um computador quântico nasceu da dificuldade de simular sistemas quânticos em um computador clássico. Na década de 1980, Richard Feynman e Yuri Manin sugeriram independentemente que o hardware baseado em fenômenos quânticos poderia ser mais eficiente para a simulação de sistemas quânticos do que os computadores convencionais.

Há várias maneiras de entender por que a mecânica quântica é difícil de ser simulada. O mais simples é ver que a matéria, em um nível quântico, está em uma infinidade de configurações possíveis (conhecidas como estados).

A computação quântica cresce exponencialmente

Considere um sistema de elétrons onde existem $40$ locais possíveis. O sistema, portanto, pode estar em qualquer uma das configurações 2 $^{40}$ (uma vez que cada local pode ter ou não um elétron). Para armazenar o estado quântico dos elétrons em uma memória de computador convencional, seriam necessários mais de $130$ GB de memória! Se permitíssemos que as partículas estivessem em qualquer uma das 41 posições, haveria o dobro de $configurações em $2^{41}$ que, por sua vez, exigiria mais $de 260$ GB de memória para armazenar o estado quântico.$

Este jogo de aumentar o número de locais não pode ser jogado indefinidamente. Se quiséssemos armazenar o estado de forma convencional, excederíamos rapidamente as capacidades de memória dos computadores mais poderosos do mundo. Com algumas centenas de elétrons, a memória necessária para armazenar o sistema excede o número de partículas no universo; portanto, não há esperança de nossos computadores convencionais simularem a dinâmica quântica delas.

Transformar a dificuldade em oportunidade

A observação desse crescimento exponencial nos levou a uma pergunta importante: podemos transformar essa dificuldade em uma oportunidade? Especificamente, se a dinâmica quântica teria a dificuldade de simular o que aconteceria se tivéssemos criado um hardware com efeitos quânticos como operações fundamentais? Poderíamos simular sistemas quânticos de partículas que interagem usando um computador que explora exatamente as mesmas leis da física? E poderíamos usar esses computadores para investigar outras tarefas que estão ausentes das partículas quânticas, mas são essenciais para nós? Essas perguntas levaram à concepção da Computação Quântica.

Em 1985, David Deutsch mostrou que um computador quântico poderia simular de forma eficiente o comportamento de qualquer sistema físico. Essa descoberta foi a primeira indicação de que computadores quânticos poderiam ser usados para resolver problemas intratáveis em computadores clássicos.

Em 1994, Peter Shor descobriu um algoritmo quântico para fatoração de inteiros que funciona exponencialmente mais rápido do que o algoritmo clássico mais conhecido. A resolução de fatoração possibilita a quebra de muitos de nossos criptosistemas de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrônico atualmente, incluindo a RSA e a Criptografia de Curva Elíptica. Essa descoberta despertou um enorme interesse na computação quântica e levou ao desenvolvimento de algoritmos quânticos para vários outros problemas.

Desde então, foram desenvolvidos algoritmos de computador quântico rápidos e eficientes para muitas de nossas tarefas clássicas difíceis: simulação de sistemas físicos em química, física e ciência dos materiais, pesquisa em um banco de dados não ordenado, resolução de sistemas de equações lineares e aprendizado de máquina.

O que é um qubit?

Assim como os bits são o objeto fundamental das informações na computação clássica, qubits (bits quânticos) são o objeto fundamental das informações na computação quântica.

Um qubit é a unidade básica de informações na computação quântica. Os qubits desempenham uma função semelhante na computação quântica àquela executada pelos bits na computação clássica, mas eles se comportam de modo muito diferente. Os bits clássicos são binários e podem manter apenas uma posição de $0$ ou $1$, mas os qubits podem manter uma superposição de todos os estados possíveis. Isso significa que um qubit pode estar em um estado de $0$, $1$ ou qualquer superposição quântica dos dois. Há infinitas superposições possíveis de $0$ e $1$, e cada uma delas é um estado de qubit válido.

Na computação quântica, a informação é codificada na superposição dos estados $0$ e $1$. Por exemplo, com $8$ bits, poderíamos codificar $256$ valores diferentes, mas temos que escolher um deles para codificá-lo. Com $8$ qubits, poderíamos codificar os $256$ valores ao mesmo tempo. Esse comportamento ocorre porque um qubit pode estar em uma superposição de todos os estados possíveis.

Para obter mais informações, consulte O qubit na computação quântica.

Como criar um computador quântico

Um computador quântico é um computador que tira proveito dos fenômenos da mecânica quântica. Os computadores quânticos usam estados quânticos da matéria para armazenar e computar informações. Eles podem &citar; programa" interferência quântica para fazer as coisas mais rápido ou melhor do que os computadores clássicos.

Ao criar um computador quântico, precisamos pensar em como criar os qubits e como armazená-los. Também precisamos pensar em como manipulá-los e como ler os resultados das computações.

As tecnologias de qubit mais usadas são qubits de íons presos, qubits supercondutores e qubits topológicos. Para alguns métodos de armazenamento de qubits, a unidade que abriga os qubits é mantida a uma temperatura próxima de zero absoluto para maximizar sua coerência e reduzir a interferência. Outros tipos de hospedagem de qubits usam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e estabilizar os qubits. Os sinais podem ser enviados para os qubits por meio de uma variedade de métodos, incluindo micro-ondas, laser e voltagem.

Os cinco critérios de um computador quântico

Um bom computador quântico deve ter estas cinco características:

1. Escalonável: Ele pode ter vários qubits.
2. Inicializável: ele pode definir os qubits para um estado específico (geralmente o $estado 0$ ).
3. Resiliente: Ele pode manter os qubits no estado de superposição por um longo tempo.
4. Universal: Um computador quântico não precisa realizar todas as operações possíveis, apenas um conjunto de operações chamado conjunto universal. Um conjunto de operações quânticas universais é tal que qualquer outra operação pode ser decomposta em uma sequência delas.
5. Confiável: Ele pode medir os qubits com precisão.

Esses cinco critérios geralmente são conhecidos como os critérios da computação quântica de Di Vicenzo.

Construir dispositivos que atendam a esses cinco critérios é um dos desafios de engenharia mais complicados já enfrentados pela humanidade. A Microsoft tem parceria com alguns dos melhores fabricantes de computadores quânticos no mundo todo para oferecer acesso às mais recentes soluções em computação quântica por meio do Azure Quantum. Para obter mais informações, consulte a lista completa de provedores do Azure Quantum.

Para que a computação quântica e o Azure Quantum podem ser usados?

Um computador quântico não é um supercomputador que pode fazer tudo mais rapidamente. Na verdade, uma das metas da pesquisa de computação quântica é estudar quais problemas podem ser resolvidos mais rápido por um computador quântico do que por um computador clássico e qual seria o aumento aa velocidade.

Os computadores quânticos se dão excepcionalmente bem com problemas que exigem o cálculo de um grande número de combinações possíveis. Esses tipos de problemas podem ser encontrados em muitas áreas, como simulação quântica, criptografia, aprendizado de máquina quântico e problemas de pesquisa.

Para obter as informações mais recentes sobre a pesquisa de computação quântica da Microsoft, confira a página de Computação Quântica do Microsoft Research.

Estimativa de recursos

Os computadores quânticos disponíveis hoje estão permitindo experimentações e pesquisas interessantes, mas são incapazes de acelerar os cálculos necessários para resolver problemas do mundo real. Enquanto a indústria aguarda avanços de hardware, os inovadores de software quântico estão ansiosos para progredir e se preparar para um futuro quântico. Criar algoritmos hoje que eventualmente serão executados nos computadores quânticos em escala tolerantes a falhas de amanhã é uma tarefa assustadora. Esses inovadores se deparam com questões como quais recursos de hardware são necessários? Quantos qubits físicos e lógicos são necessários e de qual tipo? Quanto tempo leva o tempo de execução?

Você pode usar o Avaliador de Recursos do Azure Quantum para ajudar a responder a essas perguntas. Como resultado, você será capaz de refinar seus algoritmos e criar soluções que tirem proveito dos computadores quânticos de capacidade ampliada quando se tornarem disponíveis.

Para começar, consulte Executar sua primeira estimativa de recurso.

Simulação quântica

A mecânica quântica é a quot subjacente &; sistema&operacional quot; do nosso universo. Ela descreve como se comportam os elementos constitutivos essenciais da natureza. Os comportamentos da natureza, como reações químicas, reações biológicas e formações de material, geralmente envolvem interações quânticas de muitos corpos. Para simular sistemas mecânicos intrinsecamente quânticos, como moléculas, a computação quântica é promissora, porque qubits (bits quânticos ) podem ser usados para representar os estados naturais em questão. Exemplos de sistemas quânticos que podemos modelar incluem fotossíntese, supercondutividade e formações moleculares complexas.

O Azure Quantum Elements foi criado especificamente para acelerar a descoberta científica. Reinvente sua produtividade de pesquisa e desenvolvimento com fluxos de trabalho de simulação otimizados para dimensionamento em clusters de HPC (Computação de Alto Desempenho) do Azure, computação acelerada por IA, raciocínio aumentado usando IA, integração com ferramentas quânticas para começar a experimentar o hardware quântico existente e acesso no futuro ao supercomputador quântico da Microsoft. Para obter mais informações, consulte Desbloqueando o poder do Azure para Dinâmica Molecular.

Aumentos de velocidade quânticos

Uma das metas da pesquisa de computação quântica é analisar quais problemas podem ser resolvidos mais rápido por um computador quântico do que por um computador clássico e de quanto pode ser o aumento na velocidade. Dois exemplos conhecidos são o algoritmo de Grover e o algoritmo de Shor, que produzem uma velocidade polinomial e exponencial, respectivamente, sobre seus equivalentes clássicos.

O algoritmo de Shor em execução em um computador quântico escalonável poderia interromper esquemas de criptografia clássicos, como o esquema Rivest–Shamir–Adleman (RSA), que é amplamente usado no comércio eletrônico para a transmissão segura de dados. Esse esquema é baseado na dificuldade prática de fatorar números primos usando algoritmos clássicos. A criptografia quântica promete a segurança das informações aproveitando a física básica em vez de suposições de complexidade.

O algoritmo de Glover acelera drasticamente a solução para pesquisas de dados não estruturados, executando a pesquisa em menos etapas do que qualquer algoritmo clássico. De fato, qualquer problema que permita verificar se um determinado valor $x$ é uma solução válida (uma &citação; problema sim ou não") pode ser formulado em termos do problema de pesquisa. Estes são alguns exemplos:

• Problema de satisfatibilidade booleana: O conjunto de valores $booleanos x$ é uma interpretação (uma atribuição de valores a variáveis) que satisfaz a fórmula booleana fornecida?
• Problema do caixeiro viajante: x $$ descreve o loop mais curto possível que conecta todas as cidades?
• Problema de pesquisa no banco de dados: a tabela do banco de dados contém um registro $x$?
• Problema de fatoração de inteiros: o número $fixo N$ é divisível pelo número $x$?

Para um exame mais aprofundado do algoritmo de Grover, consulte o tutorial Implementar o algoritmo de Grover no Q#.

Como a computação quântica resolve problemas?

Os computadores quânticos são dispositivos mecânicos quânticos controláveis que usam as propriedades da física quântica para realizar cálculos. Para algumas tarefas computacionais, a computação quântica fornece aumentos de velocidade exponenciais. Eles são possíveis graças a três fenômenos da mecânica quântica: superposição, interferência e emaranhamento.

Superposição

Imagine que você esteja fazendo exercícios físicos na sua sala de estar. Você gira todo o corpo para a esquerda e, em seguida, para a direita. Agora, você gira para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo. Você não pode fazer isso (sem se dividir em dois, pelo menos). Obviamente, você não pode estar nesses dois estados ao mesmo tempo; não é possível estar voltado para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo.

No entanto, se você for uma partícula quântica, poderá haver uma certa probabilidade de estar voltado para a esquerda E uma certa probabilidade de estar voltado para a direita, devido a um fenômeno conhecido como superposição (também conhecido como coerência).

Ao contrário das partículas clássicas, se dois estados A e B são estados quânticos válidos de uma partícula quântica, então qualquer combinação linear dos estados também é um estado quântico válido: $\text{estado}=\alpha qubit A + \beta B$.$ $$ $ Essa combinação linear dos estados $quânticos A$ e $B$ é chamada de superposição. Aqui, $\alpha$ e $\beta$ são as amplitudes de probabilidade de $A$ e $B$, respectivamente, tais que $|\alpha|^{{2} + |\beta|^{2}= 1$.

Somente sistemas quânticos, como circuitos supercondutores, elétrons ou íons, podem existir nos estados de sobreposição que possibilitam o poder da computação quântica. Uma partícula quântica, como um elétron, tem sua própria propriedade "voltada para a esquerda ou para a direita", ou seja , spin, conhecida como para cima ou para baixo, então o estado quântico de um elétron é uma superposição de " girar para cima" e " spin down".

Em geral, e para tornar isso mais parecido com a computação binária clássica, se um sistema quântico puder estar em dois estados quânticos, esses estados serão referidos como estado 0 e estado 1.

Qubits e probabilidade

Os computadores clássicos armazenam e processam informações em bits, que podem ter um estado igual a 1 ou 0, mas nunca os dois. O equivalente na computação quântica é o qubit. Um qubit é qualquer sistema quântico que possa estar em uma sobreposição de dois estados quânticos, 0 e 1. Cada estado quântico possível tem uma amplitude de probabilidade associada. Somente depois de medir um qubit, seu estado é recolhido para o estado 0 ou 1, dependendo da probabilidade associada. Portanto, um dos possíveis estados é obtido com uma determinada probabilidade.

A probabilidade de o qubit sofrer um colapso para uma forma ou outra é determinada pela interferência quântica. A interferência quântica afeta o estado de um qubit para influenciar a probabilidade de determinado resultado durante a medida. Esse estado probabilístico é o aspecto no qual se destaca a eficiência da computação quântica.

Por exemplo, com dois bits em um computador clássico, cada bit pode armazenar 1 ou 0 e, portanto, juntos, você pode armazenar quatro valores possíveis, 00, 01, 10 e 11, mas apenas um deles de cada vez. Com dois qubits em superposição, no entanto, cada qubit pode ser 1 ou 0 ou ambos, de modo que você possa representar os mesmos quatro valores simultaneamente. Com três qubits, você pode representar oito valores; com quatro qubits, você pode representar 16 valores etc.

Para obter mais informações, consulte O qubit na computação quântica.

Emaranhamento

Possivelmente, o fenômeno mais interessante da mecânica quântica é a capacidade de dois ou mais sistemas quânticos se emaranharem. O emaranhamento é uma correlação quântica entre sistemas quânticos. Quando qubits se tornam emaranhados, eles formam um sistema global, de modo que o estado quântico de subsistemas individuais não pode ser descrito independentemente. Dois sistemas estão emaranhados quando o estado do sistema global não pode ser escrito como uma combinação do estado dos subsistemas, em particular, dois sistemas estão emaranhados quando o estado do sistema global não pode ser escrito como o produto tensorial dos estados dos subsistemas. Um estado de produto não contém correlações.

Os sistemas quânticos emaranhados mantêm essa correlação mesmo quando separados em grandes distâncias. Isso significa que qualquer operação ou processo que você aplicar a um subsistema correlacionará aos outros subsistemas também. Como há uma correlação entre os qubits emaranhados, a medição do estado de um qubit fornece informações sobre o estado do outro qubit; essa propriedade específica é muito útil na computação quântica.

Se você quiser saber mais, consulte o tutorial Explorando o emaranhamento quântico com Q#.