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artigo com introducao ao computador quantico
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Alessandro Dias Batista André Paulena Alves Mackenzie William Centofanti (Chefe) Paulo Roberto Urio Vinicios Bordinhão
Computador Clássico São baseados em transístores, aonde o bit é a unidade básica de informação de um computador. Os chips desses computadores apenas movem elétrons pelos componentes gerando potencial elétrico. Para a leitura do valor de bit num circuito digital, o valor lógico 1 (verdadeiro) é representado por até 5 volts, enquanto o valor lógico 0 (falso) é representado por 0 volts. Computador Biológico Além do computador quântico, outra frente promissora na computação é o computador biológico (conhecido como Computador de DNA ). Um programa é um conjunto de dados e instruções armazenado na memória do computador. O DNA pode ser visto como uma memória que possui dados e instruções. Então, a ideia básica do computador de DNA é que cada molécula mergulhada em um tubo pode ser uma unidade de processamento. Várias moléculas formariam um sistema de processamento paralelo. Enquanto um computador clássico tem processamento linear, as moléculas executariam várias operações ao mesmo tempo. Se usarmos partículas subatômicas (como os elétrons) no lugar de moléculas, a nível atômico, começam a se manifestar as propriedades quânticas da matéria. Assim surgiu a ideia de computador quântico. Computador Quântico Um computador quântico é um dispositivo que faz o uso direto de propriedades da mecânica quântica, tais como sobreposição e interferência. Eles são diferentes de computadores clássicos baseados em transístores, ainda que estes utilizem alguns efeitos da mecânica quântica. Os computadores quânticos poderão ser extremamente rápidos em algumas tarefas específicas, mas para a maioria dos problemas terão poucas vantagens sobre as máquinas atuais. A característica básica de um computador quântico é que ele utiliza qubits em vez de bits. Qubits são compostos por partículas controladas e meios de controle. Um qubit pode ser uma partícula como um elétron, com spin up representando 1, spin down representando 0 e estados quânticos chamados de superposições que envolvem spin up e spin down simultaneamente. A alteração do estado de uma partícula pode ser feita com um pulso de energia, como de um laser. Digamos que seja usada 1 unidade de energia de laser para alterar. Mas e se for usada ½ unidade de energia? Segundo a lei quântica, a partícula entra em superposição de estados, e o valor será 0 e 1, simultaneamente.
Bit versus Qubit General number field sieve (GNFS) é o algoritmo pra computador clássico mais eficiente conhecido para fatoração de números inteiros maiores que 100 bits. Para o computador quântico, o algoritmo de Shor é o mais eficiente. Enquanto o GNFS resolve em tempo exponencial: o algoritmo de Shor resolve em tempo polinomial O( log(N)³ ). Comparação entre o tempo necessário para fatoração: Comprimento do número a ser fatorado (em bits) Tempo de fatoração por algoritmo clássico Tempo de fatoração com o algoritmo de Shor 512 4 dias 34 segundos 1024 100 mil anos 4,5 minutos 2048 100 mil bilhões de anos 36 minutos 4096 100 bilhões de quatrilhões de anos 4,8 horas
Classe de Problemas O esquema acima mostra como a classe BQP ( Bound-error, quantum, polynomial time ) de problemas que os computadores quânticos podem resolver com eficiência pode se relacionar com outras classes fundamentais de problemas computacionais. (A borda irregular indica que a BQP parece não se encaixar claramente nas outras classes). A classe BQP inclui todos os problemas P e também alguns outros problemas NP, como os de fatorização e o chamado problema do logaritmo discreto. Acredita-se que a maioria dos outros problemas NP e todos os problemas NP completos estão fora da classe BQP, o que quer dizer que mesmo um computador quântico precisaria de mais do que um número polinomial de passos para resolvê-los. Além disso, a classe BQP pode ir além da NP, o que significa que os computadores quânticos podem resolver certos problemas mais rapidamente que os computadores clássicos e até checar as respostas. (Um computador convencional é capaz de verificar eficientemente a resposta de um problema NP, mas é capaz de resolver com eficiência somente os problemas P). Até hoje, no entanto, não se conhece nenhum exemplo convincente de problemas desse tipo. Os cientistas da computação sabem que a classe BQP não pode se estender além da classe conhecida como PSPACE, que também contém todos os problemas NP. Problemas PSPACE são aqueles que um computador convencional não consegue resolver utilizando somente uma quantidade polinomial de memória, mas provavelmente exigirão um número exponencial de passos.
Atualidade Teoricamente, computadores quânticos podem ser implementados e o mais desenvolvido atualmente trabalha com poucos qubits de informação. O primeiro computador quântico foi construído em 1998 na Universidade de Oxford, um computador de 2-qubits com manipulação de partículas por NMR (Ressonância Magnética Nuclear). Em 2007 a D-Wave fez uma demonstração de um computador quântico, com um chip trabalhando com 16 qubits, um filtro de 128 canais, e um refrigerador para o chip quântico ser congelado a 4 milikelvins, temperatura muito próxima do zero absoluto. Na demonstração, ele resolveu soluções para o jogo Sudoku e pesquisou alternativas para drogas usadas na indústria farmacêutica. Na foto ao lado, você vê o sistema de refrigeração com hélio líquido, o filtro de ruído e o chip quântico usado na demostração. A empresa D-Wave Systems declarou em 2008 ter um computador híbrido, operando com 128 qubits e também com bits convencionais, tendo a meta de em até 2010 atingir 1 quiloqubit. Os Qubits não devem ser confundidos com os Pbits. Cientistas em fevereiro de 2009 apresentaram o primeiro protótipo de uma arquitetura revolucionária de microprocessadores. Além de rodar 7 vezes mais rápido do que um processador tradicional, ele consome 30 vezes menos eletricidade. A nova arquitetura é chamada PCMOS, ou Probabilistc CMOS – CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor ) é a tecnologia utilizada na construção dos chips atuais. Ela trabalha com um conceito lançado em 2005, do bit indeciso, que poder ser 0, ou talvez, ser 1, é o chamado pbit. C4LL Computadores quânticos
Recentemente uma equipe internacional de físicos conseguiu ampliar o tempo de duração do spin de um elétron em mais de 5.000 por cento. Os pesquisadores utilizaram um campo magnético 25 vezes mais forte do que vinha sendo utilizado nas experiências até agora e microondas para controlar o spin de elétrons mantidas em um substrato de silício. O valor do spin pode ser lido medindo-se a corrente elétrica que flui entre os dois eletrodos (cor cinza na ilustração).
Cientistas também estão mais próximos do segredo perfeito, usando encriptação quântica. Ela é completamente diferente dos outros esquemas de segurança usados nas redes de computadores atualmente. Encriptação normalmente é baseada em procedimentos matemáticos complexos que são extremamente difíceis de serem quebrados, mas não impossíveis com recursos e tempo. Esse novo sistema de criptografia quântica supostamente inviolável funciona com um esquema baseado no Princípio da Incerteza de Heisenberg, o que significa que você não pode coletar informações quânticas sem perturbar o fluxo. Quando alguém tenta hackear o fluxo quântico, os fótons da rede ficam embaralhados e o aumento da taxa de erros faz com que a conexão seja cortada. Ela é feita usando um princípio físico chamado entrelaçamento, que conecta duas partículas. Utilizando um aparato óptico, eles entrelaçaram a polarização do fóton transmitido com seu momento. Atualmente uma rede está conectada. Ela conecta 6 locais, usando 200 km de cabos de fibra óptica. Os cientistas estão tentando vender esta rede para bancos e outros portadores de informações confidenciais. C4LL Computadores quânticos
Aplicações do computador quântico Entre as possíveis aplicações estão:
Bibliografia OS LIMITES DO COMPUTADOR QUÂNTICO. Scientific American Brasil: Duetto, n. 71, abr. 08. NANOWERK. Single electron pump produces spin-polarized electrons on demand. Disponível em: . Acesso em: 13 mar. 2009. APPLIED PHYSICS LETTERS. Single-parameter quantized charge pumping in high magnetic fields. Disponível em: . Acesso em: 13 mar. 2009. BBC NEWS. 'Unbreakable' encryption unveiled. Disponível em: . Acesso em: 14 mar. 2009. WHAT IS?. What is qubit? Disponível em: . Acesso em: 14 mar. 2009. OLIVEIRA, André Lisboa de; GIANSANTE, Antonio C. de Araujo. Computação Quântica. Disponível em: . Acesso em: 15 mar.
CORNELL UNIVERSITY LIBRARY. Tetris is Hard, Even to Approximate. Disponível em: . Acesso em: 17 mar. 2009. INTERNATIONAL COMPUTER GAMES ASSOCIATION JOURNAL. A SURVEY OF NP- COMPLETE PUZZLES. Disponível em: . Acesso em: 17 mar. 2009. GUZMÁN, Juan Carlos. CS 4413 Algorithm Analysi s : Evolutionary Computing. Spring, 2009. Disponível em: . Acesso em: 15 mar. 2009. INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Processador probabilístico usa 30 vezes menos energia. Disponível em: . Acesso em: 19 mar. 2009. INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Computadores quânticos ficam 5.000% mais viáveis. Disponível em: . Acesso em: 29 mar. 2009. GREGO, Maurício. Computador quântico já funciona. Disponível em: . Acesso em: 29 mar. 2009. C4LL Computadores quânticos
