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sexta-feira, 3 de agosto de 2012

computadores quântico


 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 esfera de Bloch é uma representaçãp de um qubit, o bloco de contrução básico dos computadores quânticos
GNU Free Documentation License 1.2
A esfera de Bloch é uma representação de um qubit, o bloco de construção básico dos computadores quânticos
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.
Controle de qubits
Cientistas da computação controlam as partículas microscópicas que agem com qubits nos computadores quânticos usando os seguintes dispositivos de controle:
  • Armadilhas de íons usam campos óticos ou magnéticos (ou uma combinação de ambos) para prender os íons.
  • Armadilhas óticas usam ondas de luz para prender e controlar partículas
  • Pontos quânticos são feitos de material semicondutor e são usados para conter e manipular elétrons.
  • Impurezas semicondutoras contêm elétrons ao usar átomos indesejados encontrados no material semicondutor.
  • Circuitos supercondutores permitem aos elétrons fluírem com quase nenhuma resistência a temperaturas muito baixas.
  • 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.
    Vamos dar uma olhada em alguns dos recentes avanços em computação quântica.


    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.

    O computador quântico de 16 qutbits demonstrados pela D-Wave em 2007
    Divulgação
    O computador quântico de 16 qutbits demonstrados pela D-Wave em 2007
    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.
     

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