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O que é computação quântica?

É o uso da mecânica quântica para fazer cálculos em um hardware especializado.

Introdução à computação quântica

Para definir por completo a computação quântica, precisamos definir alguns termos-chave primeiro.

O que é quantum?

O quantum na "computação quântica" refere-se à mecânica quântica usada pelo sistema para calcular as saídas. Na física, um quantum é a menor unidade discreta possível de qualquer propriedade física. Geralmente, refere-se a propriedades de partículas atômicas ou subatômicas, como elétrons, neutrinos e fótons.

O que é um qubit?

Um qubit é a unidade básica de informações na computação quântica. Os qubits desempenham uma função semelhante na computação quântica àquela executada pelos bits na computação clássica, mas eles se comportam de modo muito diferente. Os bits clássicos são binários e só podem conter uma posição 0 ou 1, mas os qubits podem manter uma sobreposição de todos os estados possíveis.

O que é computação quântica?

Os computadores quânticos aproveitam o comportamento exclusivo da física quântica, como sobreposição, emaranhamento e interferência quântica, e o aplicam à computação. Isso apresenta novos conceitos para os métodos de programação tradicionais.

Sobreposição

Na sobreposição, as partículas quânticas são uma combinação de todos os estados possíveis. Elas flutuam até que sejam observadas e medidas. Uma forma de ter uma ideia da diferença entre a posição binária e a sobreposição é imaginar uma moeda. Os bits clássicos são medidos "lançando a moeda no ar" e obtendo cara ou coroa. No entanto, se você puder olhar para uma moeda e ver cara e coroa ao mesmo tempo, bem como todos os estados intermediários, a moeda estará em sobreposição.

Emaranhamento

Emaranhamento é a capacidade de as partículas quânticas correlacionarem os respectivos resultados de medição entre si. Quando os qubits são emaranhados, eles formam um só sistema e influenciam uns aos outros. Podemos usar as medidas de um qubit para chegar a uma conclusão sobre os outros. Ao adicionar e emaranhar mais qubits em um sistema, os computadores quânticos podem calcular exponencialmente mais informações e resolver problemas mais complicados.

Interferência quântica

Interferência quântica é o comportamento intrínseco de um qubit, devido à sobreposição, de influenciar a probabilidade de que ele entre em colapso de uma forma ou de outra. Os computadores quânticos foram projetados e criados para reduzir a interferência o máximo possível e garantir os resultados mais precisos. Para esse propósito, a Microsoft usa qubits topológicos, que são estabilizados manipulando a estrutura deles e envolvendo-os com alguns compostos químicos que os protegem contra interferência externa.

Como funciona a computação quântica?

Um computador quântico contém três partes principais:

  • Uma área que hospeda os qubits
  • Um método para transferir sinais aos qubits
  • Um computador clássico para executar um programa e enviar instruções

Para alguns métodos de armazenamento de qubits, a unidade que hospeda os qubits é mantida em uma temperatura logo acima de zero absoluto para maximizar a coerência e reduzir a interferência. Outros tipos de hospedagem de qubits usam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e estabilizar os qubits.

Os sinais podem ser enviados para os qubits por meio de uma variedade de métodos, incluindo micro-ondas, laser e voltagem.

Usos e áreas de aplicação do computador quântico

Um computador quântico não pode fazer tudo mais rápido do que um computador clássico, mas há algumas áreas em que os computadores quânticos têm o potencial de causar um grande impacto.

Simulação quântica

Os computadores quânticos funcionam excepcionalmente bem para modelar outros sistemas quânticos porque usam fenômenos quânticos na computação. Isso significa que eles podem lidar com a complexidade e a ambiguidade de sistemas que sobrecarregariam os computadores clássicos. Entre os exemplos de sistemas quânticos que podemos modelar estão a fotossíntese, a supercondutividade e as formações moleculares complexas.

Criptografia

A criptografia clássica, como o algoritmo RSA (Rivest–Shamir–Adleman) que é amplamente usado para proteger a transmissão de dados, depende da intratabilidade de problemas como fatoração de inteiros ou logaritmos discretos. Muitos desses problemas podem ser resolvidos com mais eficiência por meio de computadores quânticos.

Otimização

Otimização é o processo pelo qual se encontra a melhor solução para um problema, considerando o resultado desejado e as restrições. Na ciência e na indústria, decisões críticas são tomadas com base em fatores como custo, qualidade e tempo de produção, todos os quais podem ser otimizados. Ao executar algoritmos de otimização inspirada em quantum em computadores clássicos, podemos encontrar soluções que antes eram impossíveis. Isso nos ajuda a encontrar melhores maneiras de gerenciar sistemas complexos, como fluxos de tráfego, atribuições de portões de avião, entregas de pacotes e armazenamento de energia.

Machine learning quântico

O machine learning em computadores clássicos está revolucionando o mundo da ciência e dos negócios. No entanto, o treinamento de modelos de machine learning gera um alto custo computacional, e isso impedia o escopo e o desenvolvimento da área. Para acelerar o progresso nessa área, estamos explorando maneiras de desenvolver e implementar programas de software quânticos que possibilitem um machine learning mais rápido.

Search

Um algoritmo quântico desenvolvido em 1996 acelerou significativamente a solução para pesquisas de dados não estruturados, executando a pesquisa em menos etapas do que qualquer algoritmo clássico.

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