O que é computação quântica?
É o uso da mecânica quântica para executar cálculos em hardware especializado.
Introdução à computação quântica
Para definir completamente a computação quântica, precisamos primeiro definir alguns termos-chave.
O que é quantum?
O quantum na "computação quântica" refere-se à mecânica quântica que o sistema usa para calcular os resultados. Na física, um quantum é a menor unidade discreta possível de qualquer propriedade física. Geralmente se refere a propriedades de partículas atômicas ou subatômicas, como elétrons, neutrinos e fótons.
O que é um qubit?
Um qubit é a unidade básica de informação 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 podem manter apenas uma posição de 0 ou 1, mas os qubits podem manter uma superposição de todos os estados possíveis.
O que é computação quântica?
Os computadores quânticos aproveitam o comportamento único da física quântica – como superposição, emaranhamento e interferência quântica – e aplicam-no à computação. Isso introduz novos conceitos aos métodos de programação tradicionais.
Sobreposição
Na superposição, as partículas quânticas são uma combinação de todos os estados possíveis. Elas flutuam até que sejam observadas e medidas. Uma maneira de imaginar a diferença entre posição binária e superposição é imaginar uma moeda. Os bits clássicos são medidos "jogando a moeda" e obtendo cara ou coroa. No entanto, se você pudesse olhar para uma moeda e ver cara e coroa ao mesmo tempo, bem como todos os estados intermediários, a moeda estaria em superposição.
Emaranhamento
Emaranhamento é a capacidade das partículas quânticas de correlacionar seus 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 superposição, para influenciar a probabilidade de ele entrar 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 abriga os qubits é mantida a uma temperatura logo acima do zero absoluto para maximizar sua 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 aos qubits usando uma variedade de métodos, incluindo microondas, 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 existem algumas áreas onde os computadores quânticos têm potencial para causar um grande impacto.
Simulação quântica
Os computadores quânticos funcionam excepcionalmente bem para modelar outros sistemas quânticos porque usam fenômenos quânticos em seus cálculos. Isso significa que eles podem lidar com a complexidade e a ambiguidade de sistemas que sobrecarregariam os computadores clássicos. Exemplos de sistemas quânticos que podemos modelar incluem fotossíntese, supercondutividade e formações moleculares complexas.
Criptografia
A criptografia clássica – como o algoritmo Rivest – Shamir – Adleman (RSA), amplamente usado para proteger a transmissão de dados – depende da intratabilidade de problemas como fatoração de números inteiros ou logaritmos discretos. Muitos desses problemas podem ser resolvidos de forma mais eficiente usando 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 aviões, 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.
Pesquisa
Um algoritmo quântico desenvolvido em 1996 acelerou dramaticamente a solução para pesquisas de dados não estruturados, executando a pesquisa em menos etapas do que qualquer algoritmo clássico poderia.
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