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O que é a computação quântica?

É a utilização de mecânica quântica para executar cálculos em hardware especializado.

Introdução à computação quântica

Para definir totalmente a computação quântica, temos de definir alguns termos-chave primeiro.

O que é a computação quântica?

A palavra quântica em "computação quântica" refere-se à mecânica quântica utilizada pelo sistema para calcular as saídas. Em física, um quântico é a unidade discreta mais pequena possível de qualquer propriedade física. Geralmente, refere-se às propriedades das partículas atómicas ou subatómicas, como eletrões, neutrinos e fotões.

O que é um qubit?

Um qubit é a unidade básica de informação da computação quântica. Os qubits desempenham uma função semelhante na computação quântica à dos bits na computação clássica, mas comportam-se de forma muito diferente. Os bits clássicos são binários e podem só conter uma posição de 0 ou 1, mas os qubits podem manter uma sobreposição de todos os estados possíveis.

O que é a computação quântica?

Os computadores quânticos tiram partido do comportamento exclusivo da física quântica, como a sobreposição, o entrelaçamento e a interferência quântica, e aplicam-no à computação. Isto introduz novos conceitos nos métodos de programação tradicionais.

Sobreposição

Na sobreposição, as partículas quânticas são uma combinação de todos os estados possíveis. Flutuam até que serem observadas e medidas. Uma forma de modelar a diferença entre a posição binária e a sobreposição é imaginar uma moeda. Os bits clássicos são medidos ao "rodar a moeda" e sair cara ou coroa. No entanto, se conseguiu ver a cara e a coroa de uma moeda ao mesmo tempo, bem como cada estado entre si, a moeda estaria em sobreposição.

Entrelaçamento

O entrelaçamento é a capacidade de as partículas quânticas correlacionarem os resultados das respetivas medições entre si. Quando os qubits são entrelaçados, formam um único sistema e influenciam-se entre si. Podemos utilizar as medições de um qubit para desenhar conclusões sobre os restantes. Ao adicionar e entrelaçar mais qubits num sistema, os computadores quânticos podem calcular exponencialmente mais informações e resolver problemas mais complicados.

Interferência quântica

A interferência quântica é o comportamento intrínseco de um qubit, devido à sobreposição, para influenciar a probabilidade de se colapsar num sentido ou noutro. Os computadores quânticos são concebidos e criados para reduzir a interferência o máximo possível e garantir os resultados mais precisos. Para este fim, a Microsoft utiliza qubits topológicos, que são estabilizados através da manipulação da sua estrutura e ao seu redor com compostos químicos que os protegem contra a interferência externa.

Como funciona a computação quântica?

Um computador quântico tem três partes principais:

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

Em alguns métodos do armazenamento de qubits, a unidade que os aloja é mantida a uma temperatura ligeiramente acima do zero absoluto, de modo a maximizar a coerência e a reduzir a interferência dos qubits. Outros tipos de alojamento de qubits utilizam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e a estabilizá-los.

Os sinais podem ser enviados para os qubits através de vários métodos, incluindo micro-ondas, laser e voltagem.

Utilizações 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 em que os computadores quânticos têm o potencial de causar um grande impacto.

Simulação quântica

Os computadores quânticos funcionam excecionalmente bem para modelar outros sistemas quânticos porque utilizam fenómenos quânticos no cálculo. Isto significa que conseguem lidar com a complexidade e a ambiguidade dos sistemas que sobrecarregam os computadores clássicos. Alguns exemplos de sistemas quânticos que podemos modelar incluem fotossíntese, supercondutividade e formações moleculares complexas.

Criptografia

A criptografia clássica, como o algoritmo RSA (Rivest–Shamir–Adleman) amplamente utilizado para proteger a transmissão de dados, depende da dificuldade de problemas como a fatorização de números inteiros ou logaritmos discretos. Muitos destes problemas podem ser resolvidos com mais eficiência através de computadores quânticos.

Otimização

A otimização é o processo de encontrar a melhor solução para um problema, tendo em conta o resultado pretendido e as limitações. Na ciência e na indústria, as decisões críticas são tomadas com base em fatores como o custo, a qualidade e o tempo de produção, sendo que todas podem ser otimizadas. Ao executar algoritmos de otimização inspirados em computação quântica em computadores clássicos, podemos encontrar soluções que eram impossíveis anteriormente. Isto ajuda-nos a encontrar melhores formas de gerir sistemas complexos, como fluxos de tráfego, atribuições de portas de embarque, entregas de encomendas e armazenamento de energia.

Machine learning quântico

O machine learning nos computadores clássicos está a revolucionar o mundo das ciências e dos negócios. No entanto, a preparação de modelos de machine learning inclui um elevado custo computacional e esse fator impede o âmbito e o desenvolvimento do campo. Para acelerar o progresso nesta área, estamos a explorar formas de desenvolver e implementar software quântico que permite um machine learning mais rápido.

Pesquisa

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

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