Computação Quântica: tecnologia que opera em máquinas extremamente complexas!

Os supercomputadores são utilizados para solucionar problemas altamente complexos. No entanto, há desafios que essas máquinas não são capazes de solucionar, o que exige a utilização da computação quântica.

A computação quântica é uma tecnologia recente que promete superar os computadores mais modernos do mercado. Essa premissa parte da sua capacidade de utilizar as leis da mecânica quântica para resolver os problemas mais complexos do mundo.

Assim, ao operar a partir das leis probabilísticas da física quântica, são capazes de resolver tarefas altamente complexas em um curto período de tempo.

Essa tecnologia pode, portanto, ser utilizada em diversas áreas, como na medicina, nas finanças, nas ciências naturais e na tecnologia da informação.

E você? Já conhecia a Computação Quântica? Continue lendo para entender um pouco mais sobre essa tecnologia revolucionária!!

Acompanhe a leitura a partir dos seguintes tópicos:

• O que é Computação Quântica?
• Para que serve a Computação Quântica?
• Como funciona a Computação Quântica?
• Vantagens da Computação Quântica;
• Princípios da Computação Quântica.

Boa leitura!!!

O que é Computação Quântica?

O campo da computação quântica é uma convergência de ciência da computação, física e matemática. Ele utiliza os princípios da mecânica quântica para resolver problemas intrincados que fogem das capacidades dos computadores convencionais.

Além disso, utiliza pesquisa de hardware e desenvolvimento de aplicações para sua plena funcionalidade.

Os computadores quânticos são capazes de resolver problemas mais rapidamente do que os computadores atuais, já que utilizam os efeitos da mecânica quântica, como a superposição e a interferência quântica.

Esse aumento de velocidade também pode ser verificado em machine learning, na otimização e na simulação de sistemas físicos.

Sendo assim, a computação quântica é um ramo da informática que se baseia nos princípios da superposição da matéria e no entrelaçamento quântico, para desenvolver recursos computacionais inéditos.

Para entender a computação quântica é preciso conhecer alguns termos-chave. Confira abaixo quais são eles:

Quantum

Na computação quântica, o quantum refere-se à mecânica quântica utilizada pelo sistema para calcular as saídas. No ramo da física, um quantum é a menor unidade discreta de qualquer propriedade física.

O quantum é, portanto, a propriedade de partículas atômicas e subatômicas, as quais podem ser os elétrons, os neutrinos e os fótons.

Qubit

Os qubits referem-se à unidade básica de informações no ramo da computação quântica. Nesse sentido, são responsáveis por executar uma função ao bits na computação tradicional. No entanto, o qubit e o bit comportam-se de modos muito distintos.

Assim, os bits tradicionais são binários, o que delimita sua posição em 0 ou 1; já os qubits podem manter uma sobreposição em ambos os estados.

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Para que serve a Computação Quântica?

A computação quântica pode ser utilizada em diversas áreas. Confira abaixo algumas aplicações dessa tecnologia:

1. Simulação quântica

Os computadores quânticos funcionam perfeitamente bem para modelar outros sistemas quânticos, já que utilizam fenômenos quânticos na computação.

Essa funcionalidade permite que eles possam enfrentar a complexidade e a ambiguidade de sistemas que sobrecarregam os computadores tradicionais.

Os sistemas quânticos que se podem modelar são a fotossíntese, a supercondutividade e as formações moleculares mais complexas.

2. Criptografia

A criptografia clássica é dependente da intratabilidade de problemas, como a fatoração de inteiros ou logaritmos discretos, para proteger a transmissão de dados.

No entanto, muitos desses problemas podem ser solucionados com mais eficiência com a utilização de computadores quânticos.

3. Otimização 

A otimização é responsável por encontrar as melhores soluções para os problemas, considerando, para isso, as restrições e os resultados desejados.

Nesse sentido, ao desenvolver algoritmos de otimização inspirada em quantum em computadores clássicos, é possível encontrar soluções que antes seriam impossíveis.

Isso permite encontrar os melhores caminhos para gerenciar os sistemas complexos, como entrega de pacotes, armazenamento de energia, fluxos de tráfego e atribuições de portões de avião.

4. Machine Learning quântico

O machine learning, quando utilizado em computadores clássicos, é uma ferramenta que está revolucionando o mundo da ciência e dos negócios.

Entretanto, o treinamento dessa tecnologia gera um alto custo computacional, o que impede o escopo e o desenvolvimento da área.

Nesse sentido, para impulsionar o progresso dessa área, pesquisas estão sendo desenvolvidas para implementar programas de software quânticos, os quais irão permitir um machine learning mais rápido.

5. Pesquisa 

A criação de um algoritmo quântico acelerou a solução para pesquisas de dados não estruturados, o que permite executar a pesquisa em menos etapas.

6. Economia e finanças 

A computação quântica pode ser utilizada amplamente nas áreas econômicas e finanças, haja vista que permite a realização de análises e simulações de portfólios de ações para tomar decisões sobre investimentos.

Além disso, é muito eficaz para verificar possíveis fraudes e para otimizar os riscos em tempo real.

7. Medicina 

A computação quântica é uma grande aliada da medicina, visto que é utilizada em diversos processos, como em pesquisa e no desenvolvimento de ciências médicas, a exemplo da análise da sequência de DNA.

Além disso, também é empregada na bioengenharia, na telemedicina e no diagnóstico mais rápido e mais preciso de doenças, como o câncer.  A computação quântica também é utilizada na descoberta e na produção de medicamentos em larga escala.

8. Ciências Naturais

No ramo das Ciências Naturais, a computação quântica pode ser empregada na previsão e análise de possíveis temporais, na análise de genoma vegetal e no setor agrícola e de plantio.

9. Tecnologia da Informação 

A tecnologia da informação é outra área que a computação quântica pode ser amplamente empregada.

Desse modo, é utilizada em pesquisas e análise de dados e em testes de software e simulações muito complexas e demoradas para os computadores tradicionais.

Como funciona a Computação Quântica?

Nos últimos anos, foi presenciado o aumento do interesse pelos computadores quânticos, haja vista que  apresenta um grande potencial para melhorar o poder da computação.

Isso é fruto da tecnologia utilizada por essas máquinas, já que exploram as propriedades da matéria em sua menor escala, isto é, as propriedades físicas das partículas subatômicas.

Nos computadores tradicionais, o bit, unidade de informação, pode apresentar um valor de um ou zero; já nos computadores quânticos, a unidade de informação é o qubit, a qual pode apresentar os valores um ou zero ao mesmo tempo.

Isso permite a superposição quântica, isto é, a capacidade de uma partículas existir em vários estados ao mesmo tempo.

Os computadores quânticos requerem menos energia para funcionar quando comparados aos supercomputadores. Além disso, apresenta uma boa capacidade de processamento, o que permite desenvolver novos materiais e medicamentos e melhorar ferramentas da inteligência artificial.

Assim, um computador quântico apresenta três partes principais para o seu funcionamento, ou seja, uma área que abriga os qubits, um sistema de transferência de sinais para os qubits e um computador clássico para executar um problema e enviar instruções.

Confira abaixo alguns aspectos importantes para o pleno funcionamento dos computadores quânticos:

Superfluidos

Os processadores quantum necessitam de temperaturas extremamente baixas para controlar os qubits. Assim, é utilizado um superfluido em superfusão para a criação dos supercondutores.

Supercondutores 

Em um meio com temperaturas ultra baixas, os elétrons movem-se sem resistências pelos supercondutores. Ao se moverem, essas partículas  se emparelham e formam os ‘’pares de Cooper’’- responsáveis por transportar uma carga através de barreiras ou isolantes.

As junções de Josephson são formadas quando dois supercondutores são colocados em cada lado de uma barreira isolante.

Controle

As junções Josephson servem como qubits supercondutores na operação de computadores quânticos.  Ao direcionar os fótons de micro-ondas para esses qubits, os usuários podem regular suas ações, manipular e acessar unidades específicas de informação quântica.

Sobreposição

Os qubits apresentam a capacidade de transformar as informações quânticas armazenadas em um estado de superposição, o qual representa uma combinação de todas as possíveis combinações de um qubit.

Além disso, os grupos de qubits em superposição são capazes de desenvolver espaços computacionais mais complexos e multidimensionais.

Entrelaçamento

Essa propriedade é um mecanismo da mecânica quântica que correlaciona o comportamento de dois instrumentos distintos.

Nesse sentido, quando dois qubits estão entrelaçados, as alterações em um qubit afetam o outro diretamente. Essa comunicação permite encontrar soluções para problemas complexos.

Vantagens da Computação Quântica

A computação quântica é uma ferramenta que confere inúmeros benefícios aos seus usuários. Confira logo abaixo as principais vantagens da computação quântica.

• Capacidade de realizar cálculos paralelos: essa vantagem permite aumentar, consideravelmente, a velocidade ao processar informações, o que torna as funções mais rápidas e eficientes;
• Capacidade de processar grandes conjuntos de dados:  essa funcionalidade é de extrema importância, haja vista que torna a computação quântica uma ferramenta ideal para analisar sistemas mais complexos; 
• Grande capacidade de armazenar informações: a computação quântica apresenta como fonte de armazenamento o qubits, o qual apresenta maior capacidade que os bits clássicos; 
• Potencial para aprimorar a criptografia: essa funcionalidade é ideal para manter as comunicações mais seguras;
• Capacidade de otimização: essa vantagem permite que a computação quântica seja utilizada em diversas áreas, como finanças, medicina e logística;
• Capacidade de simular fenômenos físicos mais complexos: essa ferramenta é muito útil para mensurar fenômenos nos campos da química e da física; 
• Grande potencial para aprimorar a inteligência artificial: a computação quântica apresenta algoritmos quânticos capazes de treinar redes neurais; 
• Maior precisão em cálculos numéricos: a computação quântica apresenta um sistema que evita erros de arredondamento; 
• Capacidade de resolver problemas complexos: a computação quântica consegue solucionar problemas que os computadores clássicos não são capazes de solucionar; 
• Capacidade de resolver cálculos em estados quânticos: essa funcionalidade permite liberar caminhos para novas maneiras de processamento de informações.

Além das vantagens, a computação quântica também apresenta alguns desafios que precisam ser superados para que tal tecnologia seja amplamente adotada. Confira abaixos as principais desvantagens da computação quântica

• Dificuldade em construir e manter os qubits: a computação quântica apresenta o desafio de garantir que as unidades de informação quântica estejam sempre em estado coerente e controlado; 
• Problemas de resfriamento: para que os computadores quânticos funcionem de maneira eficiente, é necessário que a temperatura do sistema seja extremamente baixa, haja vista que os qubits só funcionam em temperaturas específicas. 

Essa ferramenta precisa utilizar uma tecnologia mais avançada e materiais especiais, para controlar os qubits à temperatura ideal para o seu funcionamento.

• A construção de computadores quânticos é muito complexa: para se construir um computador quântico, é necessário o uso de tecnologias mais avançadas. 

Tal complexidade é fruto da necessidade de controlar os qubits, mas também para protegê-los contra perturbações externas, já que causam erros e ruídos nos cálculos quânticos.

• Interferência das perturbações externas: os ruídos e as vibrações do meio interferem diretamente nessa tecnologia, visto que pode causar erros nos cálculos quânticos. 

Essa desvantagem é um grande desafio para a computação quântica, pois não há ferramentas para corrigir os erros gerados.

• Falta de padronização e intercomunicação entre diferentes computadores quânticos: tal questão impede a comparação de resultados gerados por máquinas distintas. Além disso, dificulta a colaboração entre diferentes grupos de pesquisas;
• Difícil programação dos computadores: para se programar um computador quântico, é preciso um conhecimento avançado nas áreas de física quântica e matemática; 
• Alto custo: os computadores quânticos são máquinas muito caras e pouco acessíveis para a população. Tal questão limita a utilização desses computadores, o que dificulta o desenvolvimento de aplicações mais práticas. 

Princípios da Computação Quântica

Os computadores quânticos operam a partir de princípios quânticos. Confira abaixo um pouco sobre cada um deles:

1. Superposição

O princípio da superposição preconiza que, assim como as ondas da física clássica, é possível adicionar dois ou mais estados quânticos e, com isso, encontrar outro estado quântico também válido.

Além disso, também é possível representar cada estado quântico como uma soma de dois ou mais estados diferentes. Essa superposição de bits quânticos oferece aos computadores quânticos o paralelismo inerente, o que facilita o processamento de inúmeras operações simultâneas.

2. Entrelaçamento 

O entrelaçamento quântico acontece quando dois sistemas se ligam fortemente. Essa conexão permite que, ao reconhecer um dos sistemas, informações sobre o outro sejam, imediatamente, fornecidas.

Assim, ocorre um conhecimento instantâneo de um sistema sobre o outro.

Além disso, os processadores quânticos emitem informações de uma partícula medindo outra, isto é, ao determinar que um bit quântico tem rotações descendentes, o outro terá rotações ascendentes e vice-versa.

O entrelaçamento quântico é, portanto, uma funcionalidade dos bits quânticos de correlacionar seu estado com outros bits quânticos, o que ocorre de maneira rápida e eficiente.

3. Decoerência 

O princípio da decoerência refere-se à perda do estado quântico em um determinado bit quântico. Esse problema pode ser resultante de fatores ambientais, como a radiação, que leva ao colapso o estado quântico dos bits quânticos.

A tentativa de retardar a decorrência do estado quântico é um grande desafio para a engenharia, a qual trabalha, incessantemente, na projeção de um computador quântico com estruturas capazes de proteger os bits quânticos de campos externos, como a radiação.

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