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Histórico e contexto sobre a computação quântica - Azure Quantum

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Uma série de novas tecnologias computacionais surgiu nos últimos anos, sendo a computação quântica possivelmente a tecnologia que exige a maior mudança de paradigma por parte dos desenvolvedores. Os computadores quânticos foram propostos na década de 1980 por Richard Feynman e Yuri Manin. A intuição por trás da computação quântica originou-se do que costumava ser visto como um dos maiores constrangimentos da física: o notável progresso científico enfrentava uma incapacidade de modelar até mesmo sistemas simples. A mecânica quântica foi desenvolvida entre 1900 e 1925 e ela continua sendo a base na qual a química, a física de matéria condensada e as tecnologias que vão de chips de computador à iluminação LED, em última análise, se apoiam. Ainda assim, apesar desses sucessos, até mesmo alguns dos sistemas mais simples pareciam estar além da capacidade humana de modelagem com a mecânica quântica. Isso ocorre porque a simulação de sistemas de, até mesmo, algumas dezenas de partículas interativas exige mais potência computacional do que qualquer computador convencional possa fornecer em milhares de anos!

Por que usar computadores de quantum

Há várias maneiras de entender por que a mecânica quântica é difícil de ser simulada. Talvez a mais simples delas seja ver que a teoria quântica pode ser interpretada como indicando que a matéria, em um nível quântico, está em uma série de configurações possíveis (conhecidas como estados). Ao contrário da teoria de probabilidade clássica, essas muitas configurações do estado quântico, potencialmente observadas, podem interferir umas com as outras como as ondas em uma poça de maré. Essa interferência impede o uso da amostragem estatística para obter as configurações de estado quântico. Em vez disso, precisamos acompanhar cada configuração possível na qual um sistema quântico poderá estar se desejamos entender a evolução quântica.

Considere um sistema de elétrons em que os elétrons podem estar em qualquer uma das $40$ posições, digamos. Os elétrons, portanto, podem estar em qualquer uma das $2^{40}$ configurações (já que cada posição pode ter ou não um elétron). Para armazenar o estado quântico dos elétrons em uma memória de computador convencional, será necessário mais de $130$ GB de memória! Isso é substancial, mas dentro do alcance de alguns computadores. 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. Esse jogo de aumento do número de posições não poderá ser reproduzido indefinidamente se desejarmos armazenar o estado de forma convencional, pois excederemos rapidamente as capacidades de memória dos computadores mais eficientes 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. Apesar disso, por natureza, esses sistemas evoluem imediatamente no tempo de acordo com as leis mecânicas quânticas, sem conhecimento algum da incapacidade de projetar e simular a evolução deles com a potência da computação convencional.

Essa observação faz com que aqueles que têm uma visão pioneira da computação quântica façam uma pergunta simples, mas significativa: 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 de partículas interativas usando um sistema que explora exatamente as mesmas leis que os regem naturalmente? Poderíamos investigar tarefas que estão totalmente ausentes de natureza, mas ainda seguir as leis mecânicas quânticas ou se beneficiar delas? Essas perguntas levaram à gênese da computação quântica.

A base da computação quântica é armazenar informações em estados quânticos de matéria e usar operações de portões quânticos para calcular essas informações, aproveitando a interferência quântica e aprendendo a "programá-la".

Um exemplo antecipado da interferência de programação para resolver um problema considerado difícil em nossos computadores convencionais foi feito por Peter Shor em 1994 para um problema conhecido como fatoração. A solução da fatoração traz consigo a capacidade de dividir muitos de nossos sistemas de criptografia de chave pública subjacentes à segurança do comércio eletrônico atualmente, incluindo RSA e criptografia de curva elíptica. Desde essa época, 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 da matéria, pesquisa de um banco de dados não ordenado, solução de sistemas de equações lineares e aprendizado de máquina.

Um computador quântico não é um supercomputador que pode fazer tudo mais rápido ou que pode resolver qualquer problema. Os problemas que um computador quântico pode resolver com mais eficiência do que um computador clássico são chamados de BQP (polinômios quânticos de erro limitado), o que significa que eles são solucionáveis por um computador quântico em tempo polinomial. Exemplos de problemas de BQP incluem o problema de fatoração e o problema de pesquisa.

Usar o Azure Quantum e o Kit de desenvolvimento do Quantum para fazer a computação quântica

A computação quântica está evoluindo rapidamente. O Azure Quantum é um ecossistema de nuvem preparado para o futuro, aberto e flexível para computação quântica que permite que você cause impacto com seus aplicativos quânticos, de exploração e pesquisa. O Azure Quantum fornece um conjunto diversificado de soluções e tecnologias de computação quântica.

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Suporte para as linguagens quânticas e SDKs mais populares: Q#, Qiskit e Cirq.

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Dica

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A criação de um programa quântico para utilização da interferência pode parecer um desafio assustador e, embora ele seja, muitas técnicas e ferramentas, incluindo o Quantum Development Kit (QDK), foram introduzidas para tornar o desenvolvimento de programação e algoritmo quânticos mais acessível. Há algumas estratégias básicas que podem ser usadas para manipular a interferência quântica de uma maneira útil para a computação, embora, ao mesmo tempo, não façam com que a solução se perca em um emaranhado de possibilidades quânticas. A programação quântica é uma arte distinta da programação clássica, exigindo ferramentas muito diferentes para entender e expressar o raciocínio de algoritmo quântico. De fato, sem ferramentas gerais para ajudar um desenvolvedor quântico a lidar com a arte da programação quântica, o desenvolvimento de algoritmos quânticos não é tão fácil.

O Kit de desenvolvimento do Quantum capacita uma comunidade cada vez maior com ferramentas para possibilitar a revolução quântica. A linguagem de programação quântica de alto nível, Q#, foi desenvolvida para resolver os desafios do processamento de informações quânticas. É integrada a uma pilha de software que permite que um algoritmo quântico seja compilado até as operações primitivas de um computador quântico.

Antes de abordar a linguagem de programação, é útil examinar os princípios fundamentais nos quais a computação quântica se baseia. Confira alguns conceitos importantes de computação quântica, como as medidas qubit, Pauli ou álgebra linear para computação quântica. Caso você deseje obter um estudo mais profundo da história e dos princípios da computação quântica, indicamos a seção de referência que contém mais informações.

Próximas etapas

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Histórico e contexto sobre a computação quântica - Azure Quantum

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Uma série de novas tecnologias computacionais surgiu nos últimos anos, sendo a computação quântica possivelmente a tecnologia que exige a maior mudança de paradigma por parte dos desenvolvedores. Os computadores quânticos foram propostos na década de 1980 por Richard Feynman e Yuri Manin.

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O que é um Computador Quântico - Conceitos e Funcionamento

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O que é um Computador Quântico - Conceitos e Funcionamento

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Um pouco mais sobre a computação quântica

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Um pouco mais sobre a computação quântica

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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.
O computador quântico é um dispositivo programável capaz de realizar cálculos e algoritmos por meio da manipulação e leitura de informações armazenadas em sistemas quânticos, como átomos, moléculas, prótons, elétrons e fótons.

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Supercomputador quântico chinês é a máquina mais poderosa já criada

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Computadores quântico e oque é e como funciona 

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Computadores quântico e oque é e como funciona 

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Descubra o que é um computador quântico e quais suas diferenças em relação ao computador eletrônico. Saiba quais são as possibilidades dos computadores quânticos.

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Os mitos e a realidade sobre os computadores quânticos

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Os mitos e a realidade sobre os computadores quânticos

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Em outubro de 2019, a computação quântica ocupou por vários dias as manchetes de todo o mundo. Uma equipe de pesquisadores da gigante tecnológica Google havia conseguido atingir a supremacia quântica, vencendo os maiores supercomputadores do planeta com um computador quântico.

Mais que isso: a diferença de tempo foi simplesmente esmagadora - poucos minutos, em comparação com os milhares de anos necessários para realizar o mesmo cálculo com um computador tradicional.

Foram dezenas de artigos e reportagens na imprensa escrita, no rádio e na televisão ecoando esse feito histórico e tentando explicar para o público não especializado no que consistia, na verdade, a proeza da Google e o que eram esses misteriosos computadores quânticos utilizados para consegui-la.
Nos artigos de divulgação científica sobre computação quântica, é comum encontrar uma série de analogias e imagens recorrentes, que não correspondem à realidade e contribuem para a criação de mitos sobre as reais capacidades dos computadores quânticos.

Outra das falácias que encontramos habitualmente nos artigos populares sobre computadores quânticos é a redução de todas as suas capacidades ao mero aumento da velocidade.

Perdi a conta de quantas vezes encontrei explicações como "cientistas desenvolvem um computador quântico um milhão de vezes mais rápido que os computadores tradicionais". Por mais chamativas que possam ser essas afirmações, elas estão totalmente erradas.

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Computadores Quânticos

Um computador clássico é uma máquina capaz de realizar diversos cálculos úteis em nosso dia-a-dia seguindo uma "receita" que chamamos de algoritmos, sua unidade de informação fundamental, os 0's e 1's, é conhecida como bit. Os bits são controlados por componentes eletrônicos chamados transistores que regulam a passagem de corrente elétrica nos circuitos dos computadores, se não passa corrente é atribuído o valor 0 para o bit, se passar corrente então é atribuído 1. De forma semelhante os computadores quânticos são máquinas que também são capazes de realizar muitos cálculos via conjunto de algoritmos, todavia a unidade básica de informação desse dispositivo é governada pela Mecânica Quântica, estes são os chamados quantum bits ou qubits. Enquanto que os bits da computação clássica podem ter apenas dois valores (ou estados), os qubits podem estar em 0 ou 1 ou até em uma combinação desses dois estados ao mesmo tempo, a isso chamamos de superposição (um dos princípios fundamentais na mecânica quântica), isto é, um estado pode ter uma infinidade de valores com certa probabilidade até que o mesmo seja medido. Os algoritmos dos computadores quânticos se aproveitam da superposição para fazer cálculos muito mais velozes que os da computação clássica.

Como os qubits seguem as leis da Mecânica Quântica, existem algumas formas de reproduzir essas unidades de informação. No entanto simular sistemas quânticos não é tão fácil de se fazer, os mesmos efeitos quânticos que tornam um computador incrivelmente rápido o tornam incrivelmente difícil de operar.

Atualmente existem três tipos de computadores quânticos cujas diferenças estão no poder computacional, abrangência de problemas que podem executar e dificuldade em sua construção. Eles são os Computadores Quânticos Adiabáticos também conhecidos como quantum annealers, Computadores Quânticos Analógicos e os Computadores Quânticos Universais.

Computador Quântico Adiabático

Também conhecido como Quantum Annealer, é o mais fácil de construir, porém sua capacidade computacional é bastante restritiva em certas operações, no atual estado esses computadores são capazes de se sobressair em relação aos computadores clássicos apenas em resoluções de problemas que envolvem fatoração de números grandes e problemas de optimização como analisar rotas de veículos para aplicativos de mapeamento ou optimização de portfólio. Esse tipo de computador tem sido desenvolvido com sucesso pela empresa canadense D-Wave, cujo hardware mais recente disponível comercialmente, o Advantage, foi lançado em 2020 e possui cerca de 5000 qubits, com a chamada topologia pegasus que liga os qubits 15 a 15.

Na computação quântica adiabática, para rodar um algoritmo o sistema quântico que reproduz os qubits passa por um processo chamado annealing quântico, na tradução literal recozimento, que evolui o estado do sistema de uma configuração inicial (inputs, ou especificações do problema desejado) para um estado final (output, resolução do problema) durante um tempo suficiente tal que o sistema sempre permaneça no estado fundamental, é almejado o estado de menor energia. Durante esse processo de evolução, o sistema está sujeito a flutuações provenientes do ambiente e por isso o processo de annealing é realizado diversas vezes.

A D-Wave como pioneira da computação quântica adiabática ainda está no inicio do desenvolvimento do quantum annealer, e com o tempo talvez seja possível fornecer mais qubits e mais desempenho. No entanto acredita-se que computadores com base analógica e especialmente os computadores universais sejam o futuro da computação quântica.

Computador Quântico Analógico

Computadores quânticos Analógicos são simuladores, ou seja, são máquinas capazes de usar um sistema físico controlável para simular outro. Computadores quânticos analógicos é onde as principais empresas do ramo estão atuando já que esse tipo de computador promete ser o mais rápido que o convencional. Entre as principais empresas que estão construindo esse tipo de tecnologia estão o Google, Microsoft, IBM, Rigetti e IonQ. Essa modelo de computador é mais difícil de fabricar que os quantum annealers, porém promete resolver problemas muito complexos em simulações como química quântica ou ciência de materiais, além de problemas de optimização e cripitografia.

Os protótipos existentes para esse tipo de computador são baseados em diferentes tecnologias de qubits como por exemplo supercondutores ou aprisionamentos de íons, além disso seus algoritmos são feitos por uma sequência de portas quânticas, o que torna esse modelo de computador a preparação para o terreno dos computadores quânticos universais. Todavia para conseguir construir computadores quânticos universais é necessário resolver os problemas como decoerência que acabam interferindo na performance dos cálculos.

Em comparação com o computador adiabático da D-Wave que possui 5000 qubits, os computadores analógicos conseguem reproduzir apenas algumas dezenas de qubits e são capazes de executar centenas de operações quânticas coerentes.

Computador Quântico Universal

Esse é o grande desafio da computação quântica, é o mais complexo de construir, porém é o mais poderoso. Esse modelo de computador foi o primeiro a ser imaginado desde as ideias iniciais da computação quântica, muitos algoritmos foram desenvolvidos tendo em mente sua forma de processamento via portas quânticas, os mais conhecidos são o algoritmo de fatoração de Shor e o algoritmo de busca de Grover. As portas quânticas são os mecanismos responsáveis por manipular os qubits para realizar os algoritmos, elas são análogas às portas lógicas utilizadas em computadores clássicos.

Estimativas, segundo a IBM, indicam que essa máquina terá mais de 100.000 qubits físicos, tendo o potencial de ser exponencialmente mais rápido que os computadores clássicos em diversos tipos de problemas interessantes na ciência ou do mercado. A principal empresa que vem trabalhando para desenvolver esse tipo de computador é a própria IBM, que está projetando um chip para esse tipo de computador e tem como objetivo construir uma máquina com até 1000 qubits até 2023, os modelos atuais se enquadram em computadores quânticos analógicos e digitais e possui apenas algumas dezenas de qubits, o atual da IBM possui 63 qubits .

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Computadores Quânticos Um computador clássico é uma máquina capaz de realizar diversos cálculos úteis em nosso dia-a-dia seguindo uma "receita" que chamamos de algoritmos, sua unidade de informação fundamental, os 0's e 1's, é conhecida como bit. Os bits são controlados por componentes eletrônicos c

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Vantagens e desvantagens de computadores quânticos.

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Vantagens e desvantagens de computadores quânticos.

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Principais Vantagens:

• Realização de milhares de cálculos por segundo;

• Velocidade na busca de informações em banco de dados extremamente rápida;

• Diminuição nos custos na validação e verificação de softwares durante sua criação;

• Menor consumo de energia;

• Diminuição de custos com combinações mais eficientes.

Principais Desvantagens:

• Perde facilmente as informações armazenadas no qubit se este sofrer interferência eletromagnética;

• Superaquecimento;

• Grande dificuldade em estabilizar o emaranhamento de muitos qubits.

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Quais empresas oferecem soluções com computadores quânticos hoje?

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Quais empresas oferecem soluções com computadores quânticos hoje?

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No momento, grandes companhias como a IBM, a Intel e o Google possuem soluções em computação quântica, todas voltadas à macro-computação e resolução de grandes problemas, e embora o acesso às máquinas seja um tanto restrito, é possível experimentar na nuvem o que a tecnologia promete para o futuro.
A IBM oferece a Q Experience, que exige um cadastro para que a empresa libere o acesso, mas não costuma colocar muitos empecilhos. O programa é voltado para pesquisadores, e oferece kits de desenvolvimento que permitem ao usuário criar algoritmos dedicados.

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Definitivamente, não será para uso público. Como o custo é alto (e mesmo no futuro isso não deve mudar), e dada a capacidade de processamento de dados simultâneos, eles serão usados para fatoração de grandes números. Sendo assim, serão usados para criar chaves criptográficas mais fortes, em pesquisas científicas, simulando modelos biológicos, meteorológicos, astronômicos ou moleculares, no desenvolvimento de medicamentos, em pesquisas aeroespaciais e claro, na defesa.

Pesquisas mais avançadas, como transmissão de internet pelo vácuo também seriam possíveis com o modelo quântico, com muito mais velocidade e sem perda de pacotes.

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Quais as limitações de um computador quântico?

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Quais as limitações de um computador quântico?

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Computadores quânticos só funcionam em condições muito específicas, o que inviabiliza a escala por enquanto. Os qubits só assumem as características de entrelaçamento em temperaturas próximas ao zero absoluto (-273,15º C), exigindo sistemas sofisticados de refrigeração. Além disso, o núcleo precisa ser blindado contra campos magnéticos ou ondas eletromagnéticas, que podem interferir nos cálculos e prejudicar o funcionamento desses computadores.

Por isso mesmo, o preço final de um computador quântico é ridiculamente alto: embora ninguém revele valores, estima-se que o custo médio de produção gire em torno de US$ 100 milhões por unidade.