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Apresentação de um circuito básico correspondente à criação de um estado entrelaçado máximo, mais propriamente, o estado phi+.
Com a exposição dos resultados obtidos por este algoritmo pretende-se não só exemplificar, mas também expor os erros associados aos computadores quânticos da atualidade de forma prática.
Pode-se também observar a aplicação da superposição e entrelaçamento na criação deste estado e verificar a natureza probabilística do mundo quântico, assim como os impactos da observação e medição no estado. (Possível devido à IBM Quantum Experience.)

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Desenho do circuito e as portas lógicas aplicadas

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Desenho do circuito e as portas lógicas aplicadas

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Exemplificação do código necessário à criação do circuito demonstrado em qiskit (python)

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Exemplificação do código necessário à criação do circuito demonstrado em qiskit (python)

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Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology

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"Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology"

(Computadores Quânticos Explicados - Limites da Tecnologia Humana)

Este vídeo educativo apresenta a computação quântica de forma superficial
e realística para aqueles que desejam compreender os conceitos básicos
desta área. É um excelente vídeo introdutório e bem animado e foi um dos
vídeos que me motivou a pesquisar mais sobre o tema. Embora esteja em
inglês, o vídeo possui legendas em português.

O vídeo começa por explicar o funcionamento de um computador clássico. Este é feito de diversas partes, sendo todas constituídas por transístores - a unidade de processamento mais simples de todas. Transístores funcionam basicamente como interruptores, permitindo ou impedindo a passagem de informação; que é transportada por bits. Estes transportadores de informação podem ter um valor de 0 ou 1, que são manipulados através de circuitos lógicos, gerando combinações que constituem todos os dados e operações que ocorrem num computador.

No entanto, com o aumento do poder de processamento dos computadores e consequente diminuição do tamanho dos transístores, a física quântica começa a interferir no comportamento destes sistemas. Como a maioria dos transístores atingiram um comprimento de 14 nanómetros (500 vezes menor que o diâmetro de uma hemácia), processos como o tunelamento quântico causam a perda de informação (teletransporte de eletrões/corrente) e aleatorizam os resultados produzidos.

Para continuar o avanço destas máquinas e aproveitar a estranheza da mecânica quântica, foi introduzido o conceito de um computador quântico. Estes, em vez de usarem bits, usam qubits (quantum bits). Um qubit pode ser qualquer sistema de dois níveis, como o spin de um eletrão ou a polarização de um fotão, e não só podem estar num estado de 0 ou 1, mas também em qualquer proporção destes ao mesmo tempo, ou seja, em superposição.

No momento em que um qubit é observado ou medido, o seu estado de superposição colapsa e o qubit passa  a comportar-se como um bit clássico, tomando o valor 1 ou 0. O número de configurações possíveis com n bits é n^2, ou seja, num sistema de 4 bits são possíveis 16 configurações diferentes de zeros e uns, no entanto, num computador quântico 4 bits podem estar em 16 configurações distintas ao mesmo tempo, graças à superposição.

Outra propriedade quântica que os qubits exibem é o entrelaçamento. Quando dois sistemas ou qubits ficam entrelaçados, o estado de um fica dependente do outro, ou seja, quando observamos um deles é possível tirar conclusões sobre o outro. A combinação destas duas propriedades (e interferência) são cruciais á manipulação dos estados dos qubits e são também aquilo que faz os computadores quânticos possuirem um poder de processamento tão elevado. Essencialmente, com apenas um circuito conseguimos simular todas as combinações possíveis ao mesmo tempo, contrariamente à metodologia tentativa e erro de um computador normal.

Por último, o vídeo fala de algumas aplicações desta nova área da ciência. Uma das áreas mais promissores é a ciência de dados, onde a velocidade superior destas máquinas iria diminuir exponencialmente o tempo necessário a encontrar algo numa base de dados. Outra área discutida frequentemente é a encriptação. Sendo a maioria da internet construída como tendo em base o sistema RSA, através do uso do algoritmo de Shor, os computadores quânticos seriam capazes de decriptar qualquer informação escondida nas chaves públicas dos nossos e-mails e credenciais do banco. Estes seriam úteis para a simulação de sistemas quânticos e moléculas devido ao facto de os próprios qubits obdecerem às mesmas regras. Isto seriam especialmente util para a medicina, onde a simulação de proteínas pode levar ao desenvolvimento de novos medicamentos.

Neste momento, não fazemos a menor ideia se os computadores quânticos serão algo muito específico ou algo que irá revolucionar o nosso quotidiano, mas com certeza o seu potencial não pode ser deixado de lado.

Apesar deste vídeo ser dos melhores recursos da área disponíveis, tenho algumas objeções quanto ao seu conteúdo.
Este não refere o fenómeno da interferência, que é essencial para a manipulação de estados quânticos. Quando fala das suas aplicações, este não refere duas das suas maiores e em uso: na finança e no aceleramento da construção de redes neuronais.

Link:https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28, autoria de Kurzgesagt (acedido 3/3/2021)

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Imagem de fundo: (ibm q system one 2019) autoria do IBM - https://www.ibm.com/pt-en

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Circuito corrido no computador quântico "belem"

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Circuito corrido no computador quântico "belem"

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Explicar cada um destes tópicos de maneira a criar as fundações para introduzir o tema principal "Computação Quântica".

-O que é a física quântica:
- Física do século 21
- Dualidade onda partícula
- Superposição
- Entrelaçamento quântico
- Interferência (ondas)

-Como funcionam os computadores clássicos:
- Código binário e bits
- Circuitos lógicos
- Lei do Moore (limitações)

-Nova era da computação:
- Princípios quânticos na computação (superposição, entrelaçamento quântico e interferência)
- Unidade básica da informação quântica: Qubits
- Supremacia Quântica ✓
- Circuitos Quânticos (e exemplos)
- Atualidade e correção de erro
- Aplicações e potêncial
O objetivo geral deste trabalho é introduzir a área da computação quântica, que apresenta aplicações revolucionárias para o futuro da tecnologia, medicina, química e finança, dando a conhecer os seus princípios de funcionamento básicos e o seu potêncial.

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"Google and IBM clash milestone quantum computing experiment" de Kevin Hartnett, Quanta Magazine.
(Google e IBM disputam avanço decisivo na computação quântica)

A 23 de outubro de 2019, a Google anunciou ter atingido uma etapa de importância imensurável na história da computação quântica conhecida como "supremacia quântica".
A Google descreveu o momento como prova definitiva que, (embora as aplicações desta tecnologia de ponta sejam poucas na atualidade), devido à sua natureza, os computadores quânticos terão sempre uma vantagem em relação aos seus homólogos clássicos, e portanto, independentemente do poder ou tamanho de um computador normal, a partir de um certo ponto é impossível que estes computem certos circuitos num tempo prático.

Daí a existência do termo "supremacia quântica". O seu significado diverge um pouco de pessoa em pessoa, mas no geral, o consenso é que tal marco seria atingido quando um computador quântico ultrapassasse indubitavelmente o melhor supercomputador existente no planeta.

Foi precisamente o que aconteceu quase há dois anos atrás. A Google alegou que o seu processador Sycamore, de 53 qubits, realizou uma tarefa em 200 segundos que custaria 10.000 anos ao supercomputador mais potente na altura, o Summit da IBM. Este computador é capaz de completar 200.000 Triliões de cálculos por segundo, o que faz disto uma alegação bastante audaciosa, e imediatamente após, a IBM publicou um artigo onde mostrava provas concretas de que o tempo necessário mais adequado seria um muito menor intervalo de 2 dias e meio.

Sendo este o tempo acertado, seguiram perguntas: como será isto um intervalo de tempo prático? e, foi realmente atingida supremacia quântica? Diversas opiniões foram formadas na comunidade científica, mas em última análise chegou-se à conclusão que não importa o tempo concreto que demorou a fazer o cálculo, mas sim a maneira como foi realizado, e nesse sentido, os resultados foram claros. Enquanto que a máquina da Google chegou ao resultado rapidamente e em tempo polinomial, Summit(da IBM) alcançou o objetivo em tempo exponencial. Desta forma, de facto, não há qualquer dúvida de que este foi o dia onde foi atingido pela primeira vez supremacia quântica.

Isto é realmente uma conquista e, mais importante, a prova definitiva de que os computadores quânticos têm um poder inalcançável pelos computadores mais potentes produzidos pela humanidade, sendo por exemplo, necessário um computador do tamanho de uma cidade para acompanhar uma máquina de 70 qubits. É  importante referir, todavia, que se for dado tempo suficiente, qualquer computador clássico pode atingir os resultados de um quântico, mesmo sendo este um intervalo de tempo incomensurável.

Link: https://www.quantamagazine.org/google-and-ibm-clash-over-quantum-supremacy-claim-20191023/ (acedido a 2/25/2021)

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"Há mais uma confirmação teórica para a 3ª Lei da Termodinâmica" de Maria Leite Ferreira, Observador.

Entropia:
Entropia é a grandeza termodinâmica que mede, na mecânica estatística, o número de possíveis estados e configurações que átomos e moléculas de um sistema se podem distribuir segundo os níveis quantizados permitidos, ou na termodinâmica clássica, pode ser descrito como o grau de liberdade dos constituintes do sistema. Segundo esta definição, a entropia tende (espontaneamente, ou seja, mais quente para mais frio) a aumentar atingindo um valor máximo, sendo máxima em situações de equilíbrio químico (segunda lei da termodinâmica).
Por outro lado, seria possível atingir um estado de 0 entropia (sem desordem), se o sistema atingisse uma temperatura de 0 absoluto, ou seja, -273,15 °C.

Terceira Lei da termodinâmica:

É fisicamente impossível que qualquer processo, não importa quão idealizado, reduza a temperatura de um sistema a 0 absoluto num número finito de operações e tempo.
Logo, será também impossível atingir um sistema isento de entropia.

Confirmações:
Um grupo de matemáticos da University College London chegou a mais uma prova para que esta lei proposta por Walther Nerst nos anos 1906–12 se torne o mais sólida possível, mais de um século depois.

Implicações para a computação quântica:
Na atualidade, os computadores quânticos enfrentam um problema que é uma das maiores causas da inconsistência e aleatoriedade nos valores das suas operações: a presença de ruído ou interferência. Os sistemas base da informação quântica, os qubits, são extremamente sensíveis e reativos com qualquer interação exterior. Devido à sua natureza quântica, estes embora partículas, exibem também comportamento de ondas. Por este motivo, transferências de energia entre este sistema e o exterior causam uma alteração no seu estado e consequentemente a perda de informação. Para diminuir esta interferência não desejada, ou por vezes chamada de ruído, é necessário reduzir as trocas energéticas, ou seja, a entropia, para o mais perto de zero quanto possível, atingido pela diminuição da temperatura para praticamente 0 absoluto. Por esta razão, os circuitos de um computador quântico são colocados em câmaras de refrigeração, que compõem a maioria do seu esqueleto, onde após uma semana atingem temperaturas de 10 mili Kelvin (muito perto de 0 absoluto). Este valor absurdo é inferior a qualquer temperatura encontrada no espaço sideral e permite também ao alumínio, material que ajuda a manter o vácuo, a adquirir propriedades de um supercondutor. Daí a importância da terceira lei da termodinâmica para estas unidades de computação do futuro.

Link:https://observador.pt/2017/03/15/ha-mais-uma-confirmacao-teorica-para-a-3a-lei-da-termodinamica/ (acedido a 2/16/2021)