Embora possa parecer que a tecnologia da computação esteja a ponto de se tornar onipresente – pesquisadores buscam inspiração na mente, em sistemas biológicos, e na ‘física quântica’…para então… criar tipos completamente novos de máquinas.
Computador pessoal completa 25 anos… “A Rede é para todos…e juntos temos o poder de mudá-la. Não será fácil, mas com um pouco de sonho e muito trabalho… – poderemos conseguir”. (Tim Berners-Lee)
O primeiro computador pessoal – o ‘PC‘… foi lançado pela ‘IBM’ no dia 12 de agosto de 1981, causando uma revolução – tanto no ambiente de trabalho, como nas residências. – Com jogos e ferramentas rudimentares, incluindo um tutorial de música…gráficos em 4 cores diferentes… – e linguagem de programação Microsoft BASIC, a versão mais barata vinha com CPU…teclado, sem incluir monitor…e o drive de disquete – mais um alto-falante mono embutido…e…só 16kb de memória.
Havia também um ‘jogo de aventuras‘ que não usava gráficos – apenas texto – chamado Microsoft Adventure. A Microsoft também fornecia o sistema operacional das máquinas originais, o DOS. Os drives de disquete eram opcionais…e um de 5.25 polegadas poderia armazenar outros 160kb de informação… — Já o consumidor atual (limiar do século 21) tem disponível (p.ex.) – um processador de 1.8 GHZ … acima de 765 vezes mais potente que o PC original – com 1GB de memória, e 65 mil vezes mais capacidade do que o IBM inicial. E seu ‘disco rígido‘ de 160GB, equivale a mais de 1 milhão dos disquetes de 1981.
Uma breve história da Computação “A era da informação começou… ao se perceber que as…máquinas… poderiam tentar imitar… — o… poder da mente.”
Pela história tradicional a ‘computação‘ evoluiu rapidamente, em curto período de tempo. Computadores iniciais eram máquinas gigantescas — instaladas em laboratórios — na…2ª Guerra Mundial.
‘Microchips’ os reduzem a ‘desktops’, a ‘Lei de Moore’ prevê o quanto serão potentes, e a Microsoft capitaliza o ‘software’…Por fim, surgem aparelhos pequenos e baratos capazes de informar e transmitir vídeos ao redor do mundo. — Essa é uma maneira de abordar a história da ‘eletrônica do estado sólido’…até hoje. Mas a computação existia muito antes do transistor. — Astrônomos…na antiguidade, criaram modos de prever movimentos de corpos celestes… — Os gregos deduziram forma e tamanho da Terra… — Impostos eram somados… — distâncias mapeadas… — De fato… “computar” sempre foi uma busca da humanidade… — Enquanto a ‘aritmética‘ … auxiliava o homem a interpretar o mundo, a…”era da computação” – nasceu da tentativa de ultrapassar os seus limites práticos.
Máquinas de somar e caixas registradoras, surgiram primeiro, mas era igualmente crítica a busca pela organização de ‘computações matemáticas‘…usando o que hoje costumamos denominar — “programas”…A ideia de um ‘programa’ surgiu nos anos 1830, um século antes do período normalmente atribuído ao nascimento do “computador”…Os modernos ‘computadores eletrônicos‘… – que surgiram durante a 2ª Guerra Mundial – originaram a noção de um… “computador universal“… ou seja, uma máquina capaz de processar todo tipo de informação… – podendo inclusive – manipular os seus próprios programas.
Se você possui um computador, esteja certo de que ele é um ‘clássico’… Não que seja velho, ou de um modelo venerado pelo estilo, mas porque funciona basicamente de acordo com a chamada física clássica criada pelo inglês Isaac Newton há 300 anos… – Nesse sentido, ele não difere muito de um ‘ábaco‘ de mais de 2.500 anos atrás… que era pouco mais que um amontoado de pedrinhas movidas manualmente para efetuar cálculos. – A diferença é que, ao invés de pedras, computadores de hoje lidam com elétrons, e em vez de mãos, possuem milhões de chips cheios de microcomponentes movendo esses elétrons à velocidade da luz.
Computadores quânticos
Existem 3 maneiras de fazer um computador trabalhar mais rápido…Uma é usando vários computadores para um mesmo fim. Outra, é construindo novos computadores (hardware) mais eficientes. E a 3ª é elaborar ‘algoritmos computacionais’…(software)…que permitam uma maior rapidez em todas suas atividades.
Um algoritmo é uma equação computacional que recebe algum ‘conjunto de valores’ como entrada, e produz algum conjunto de valores como resultado – levando em conta todas as variáveis que possam surgir…Os ‘algoritmos clássicos’… usados nos computadores atuais, baseiam-se em ‘procedimento passo a passo’ onde muitos milhões destes ‘procedimentos’ são realizados ao longo do mínimo intervalo de 1 segundo … se utilizando da operação de milhões e milhões de… “transistores” … que, ligados/desligados – assumem valores…0/1.
Os computadores quânticos, usando, por exemplo – átomos… como bits quânticos, ou qubits… podem ter alterado seu magnetismo, ou outras de suas propriedades, a fim de representar 0 e 1… ou mesmo, os 2 estados sobrepostos… — Sendo capazes de executar muitos procedimentos em um único passo … por meio de ‘algoritmos quânticos‘ (muito diferentes da lógica utilizada nos programas atuais), poderão fatorar grandes números, revolucionando a ‘criptografia‘…Dessa forma, é também esperado que computadores quânticos possam ser usados para ‘simular‘ sistemas extremamente complexos, como sistemas biológicos … meteorológicos … astronômicos … moleculares… etc.
Processamento quântico
Computadores atuais têm em um “dígito binário” (‘bit‘) sua unidade fundamental de informação; a qual só pode assumir 2 valores (zero ou 1), e formando a base da armazenagem de informação … utilizada na computação digital. Uma série de bits em conjunto…combinados em grupos de 8… – então…se convertem em… “bytes“.
Já computadores quânticos não são baseados em bits, mas sim, em qubits (bit quântico), que indicam sua unidade fundamental de informação. – Nesse caso, em vez de operarmos apenas com os números 0 e 1, há uma gama maior de possibilidades. Além do qubit poder estar em um estado de ‘superposição‘… que é ao mesmo tempo 0 e 1… ele também pode oscilar no espaço intermediário destas posições, como interruptores de luz que pudessem estar 1/2 desligados. Isso os torna úteis para armazenar e processar dados quanticamente. Pares de átomos…quando forçados a conviver em espaços limitados, em um “computador quântico”, podem ser manipulados para — enquanto se entrelaçam — estar em diferentes estados simultaneamente…e assim, processar exponencialmente mais informação do que um “computador tradicional”… — Para se ter uma ideia da eficiência de seu desempenho, enquanto computadores atuais processam dados em blocos de 64 bits – de cada vez…um ‘computador quântico’…no qual um qubit consegue guardar os valores 0 e 1 — ao mesmo tempo – com esses mesmos 64 qubits… – será nada menos do que 264 vezes mais rápido.
Para desenvolver o processamento na computação quântica porém, é preciso descobrir como fazer para que cada par de átomos oscile… – e se mova independente dos demais, como 2 moedas que estivessem girando, simultaneamente no ar… – correlacionadas de modo a que – sempre que uma delas tem o lado cara para cima…a outra assume coroa. Essas propriedades na computação quântica correspondem aos clássicos ‘transistores’.
Superposição quântica
A ‘superposição quântica‘ representa a possibilidade de um “objeto” assumir uma combinação de propriedades que segundo nossa primitiva intuição clássica … seriam “mutuamente excludentes”. – Como lei da mecânica quântica… postula que… — para qualquer ‘sistema quântico’ no qual exista alguma… “determinada quantidade“… de informação observável… – sempre haverá sobreposição de 2 ou + ‘estados possíveis’.
Isso implica, para a computação quântica, que o qubit pode assumir os valores 0 e 1, além de uma sobreposição destes 2 valores…Tomando como exemplo uma bola de gude, que só pode ser inserida em 2 buracos diferentes, os quais chamaremos de buraco 0 e buraco 1 – este formato clássico, usando apenas um bit de informação, nos deixa ver completamente a situação da bola de gude… – que só pode assumir o valor 0 ou 1. Idealizemos agora, um análogo microscópico dessa ‘bola de gude’… – que satisfaça às leis da mecânica quântica:
Há alguns anos já é possível colocar ‘microeletrodos’ numa placa de silício de modo a prender o elétron individual em uma de 2 posições próximas… Essas 2 regiões são denominadas “pontos quânticos” e…assim como no caso da bola de gude…chamamos de pontos 0 e 1.
Segundo a mecânica quântica…é possível colocarmos o elétron numa situação em que 2 propriedades mutuamente excludentes se combinem de uma forma especial. No caso do elétron, além de podermos colocá-lo no ponto 0, ou no 1, podemos também colocá-lo em uma situação na qual ele se comporte…como se estivesse nos 2 pontos ao mesmo tempo. Diz-se então… que o elétron está em um “estado de superposição” entre os 2 pontos.
Amplitudes de probabilidade
Tal superposição pode ser criada com várias gradações – ou seja…podemos escolher o…’peso‘… de cada uma das possibilidades clássicas — de posição. Esses pesos, mais conhecidos como… “amplitudes de probabilidade”… melhor descrevem a superposição do elétron (“estado“)…Se colocarmos a bola de gude no “buraco 0″…nada do que fizermos no “buraco 1”, a afetará.
É neste ponto que a condição do elétron é diferente. — Num estado de superposição das 2 posições – o elétron é afetado pelo que se faz nos 2 pontos quânticos. Suas propriedades mensuráveis se alteram, de acordo com aquilo que se faz com os 2 conjuntos de eletrodos; aqueles que controlam o ponto 0…e os do ponto 1. Isto porque o elétron é ‘quanticamente’ descrito por “amplitudes de probabilidade”…afetadas por manipulações dos eletrodos em cada ponto. Inexplicavelmente…se for aferida a posição após a criação da superposição, o elétron será encontrado num dos pontos…influenciado apenas por eletrodos desse ponto.
Ou seja, ao medirmos a posição do elétron, destruímos a superposição, e daí em diante, o elétron volta a sua posição estável…como ‘bola de gude’.
Essa fragilidade dos “estados quânticos” – com efeito – é uma questão fundamental para a confiabilidade dos computadores quânticos do futuro. Uma das principais razões para isso é que os sistemas quânticos — os qubits aí incluídos — podem ser alterados por ruídos eletromagnéticos mínimos. – Construí-los, portanto, provou ser um grande desafio, pois a propriedade que lhes garante efetuar cálculos simultâneos é fruto dessa delicada condição de sobreposição de estados…Para que a computação quântica atinja seu máximo potencial, é pois necessário preservar o “estado quântico puro” nos sistemas quânticos… tornando os qubits imunes à influência do meio ambiente. – Este é, aliás, o grande ‘gargalo’ nesta área; chamado de ruído, ou “mistura estatística“…termo cunhado para descrever a ausência desse estado puro, como explica Youssef Moussa do Instituto de Física de São Carlos, USP:
“O meio ambiente – necessariamente – conduz o estado puro do sistema quântico à uma mistura estatística (caótica) de estados”.
‘Trajetória das partículas quânticas‘ A definição entre a vida e a morte do Gato de Schrodinger não é instantânea – ainda que não seja tão suave e contínua, quanto à mera ocorrência de um ‘evento clássico’.
Se você joga uma bola … para outra pessoa, a bola seguirá sua rota de forma contínua e direta… Mas, se a bola for pequena demais, um átomo ou uma molécula…por exemplo, ela obedecerá às leis da mecânica quântica, e não da mecânica clássica – o que tornará as coisas realmente bem mais complicadas.
Partículas quânticas podem existir em uma ‘sobreposição de estados’ – como estarem em dois lugares ao mesmo tempo, só “escolhendo” um deles quando se tenta medir onde elas realmente estão. Assim, parecia impossível estabelecer uma trajetória contínua para uma ‘partícula quântica’ – só podendo localizar pontos bem discretos de sua rota… ou lá ou cá. O exemplo mais conhecido desse fenômeno … é o famoso experimento mental conhecido como “Gato de Schrodinger“, em que um gato é posto em uma caixa – onde um frasco de veneno pode ser aberto pelo “estado” de uma partícula quântica. – O gato estaria em um estado de superposição vivo e morto ao mesmo tempo…já que sua condição definitiva só se definiria quando a caixa fosse aberta… o que equivale à medição da partícula quântica.
Mas agora, uma equipe de físicos das universidades de Rochester, Berkeley e Washington, todas nos EUA…demonstrou que não é bem assim – estabelecendo um caminho provável entre a vida e a morte do gato…O evento não seria instantâneo, com o gato seguindo uma rota contínua de sua vida até sua morte… – o gato morre suavemente… – por assim dizer.
Dados mostrando o caminho “mais provável” (vermelho) entre estados quânticos iniciais e finais (pontos pretos) são representados numa esfera de Bloch. [Areeya Chantasri]
Para conseguir isso – a equipe criou um qubit supercondutor com propriedades de coerência muito precisas… Esse tipo de sistema quântico é chamado de “átomo artificial“… podendo ele permanecer em uma “superposição quântica“, durante todo um — ‘monitoramento contínuo’.
O experimento tirou proveito… do fato de que… – qualquer medição perturba um sistema quântico…exceto as chamadas medições fracas. Isto torna possível traçar o caminho ideal da partícula…efetuando medições contínuas, ou seja…forçando-a a passar continuamente, de um estado quântico para outro; como explicou Andrew Jordan, pesquisador da equipe: “O experimento mostra que, para qualquer escolha de estado quântico final…o ‘caminho ideal’ mais provável em um determinado momento, pode ser encontrado e previsto. Isto confirma a teoria; e abre possibilidade para novas técnicas de controle quântico ativas.”
Controle quântico das … ‘reações químicas ativas’ “Eventualmente, seremos capazes de controlar a dinâmica das reações químicas com lasers – em vez de apenas misturar um reagente (1) com um reagente (2)… e deixar assim…a reação evoluir por conta própria”.
Kater Murch, coautor do estudo, ressalta que esse “controle quântico ativo” é de especial interesse para os químicos, pois estes, nos últimos 20 anos…desenvolveram uma técnica chamada “controle quântico“…na qual pulsos de laser são usados para dirigir reações químicas – controlando assim a…”dinâmica do campo” – entre dois “estados quânticos”.
O resultado também… “impacta” sobre a “computação quântica“, desafiando a interpretação clássica da teoria — também conhecida como … interpretação de Copenhague, que concebe uma ‘passagem instantânea‘ entre os estados clássico e quântico. Porém, em desacordo com tal ‘perspectiva clássica’, o ‘monitoramento’ em tempo real de um sistema quântico, mostra que este é um “processo contínuo”, do qual é possível… ‘constantemente’… extrair informações do sistema; de acordo com sua…”mudança de estado“…detalhe este, aliás, que nunca foi considerado “acessível” – segundo a opinião dos próprios “fundadores” da “teoria quântica“.
A Origem da Computação # ‘1º cálculo de um programa quântico’ “Estado Quântico Puro” ### “trajetória das partículas quânticas” *************************************************************
“Flip-flop qubits”…inventado novo design radical de computação quântica “Será necessária uma ótima engenharia…para levar a computação quântica à realidade comercial, e o trabalho dessa equipe é um extraordinário exemplo de como a “UNSW”, bem como muitos grandes centros de pesquisa do mundo…está hoje no coração de um sofisticado sistema global de conhecimento, moldando nosso futuro”. (Mark Hoffman)
Artist’s impression of the ‘flip-flop’ qubits exhibiting quantum entanglement. [Tony Melov/UNSW]
O novo sistema permite que os bits quânticos (‘qubits’)…a unidade básica de informação em um computador quântico…sejam colocados a centenas de nanômetros de distância … e, ainda assim… – permaneçam acoplados.
O design foi concebido por uma equipe liderada por Andrea Morello, Gerente do “Centro em Tecnologia de Computação e Comunicação Quântica” da ‘UNSW’ – e… segundo ele, a fabricação do novo design poderá ser facilmente alcançada pela tecnologia de hoje… — O pesquisador brasileiro Guilherme Tosi…autor principal, desenvolveu o conceito pioneiro junto com Morello e os co-autores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt, e Stefanie Tenberg, do mesmo Cenro de Pesquisa…com a ajuda dos colaboradores Rajib Rahman, e Gerhard Klimeck, da Purdue University nos EUA. E Morello, explica desse modo o novo conceito:
“O que Guilherme e a equipe inventaram é uma nova maneira de definir um ‘spin qubit’, usando tanto o elétron, quanto o núcleo do átomo. — Assim, pode-se controlar este novo qubit por sinais elétricos, em vez dos magnéticos; sendo sinais elétricos muitíssimo mais fáceis de distribuir e localizar dentro de um chip eletrônico… — É um design brilhante!”.
Problemas com ‘armadilhas iônicas’ “Se eles estão muito próximos, ou muito distantes, o ‘emaranhamento’ entre bits quânticos…que faz computadores quânticos tão especiais…não ocorre”. (G. Tosi)
No outro extremo do espectro estão os ‘circuitos supercondutores’…adotados, por exemplo, pela IBM e Google…de “armadilhas iônicas“… Esses sistemas são grandes…e relativamente fáceis de fabricar – liderando atualmente no nº de qubits – que podem ser “alocados”. Porém… por suas dimensões maiores, arriscam enfrentar desafios, no longo prazo, quando exigidos a operar, com milhões de qubits – em “algoritmos quânticos” … de teor mais relevante.
Guilherme Tosi, nascido em São Paulo, e graduado da Universidade Federal de Minas Gerais disse que o projeto previne o desafio … que todos qubits de silício baseados em spin (propriedade magnética das partículas sub-atômicas) deveriam enfrentar, ao se construir matrizes de qubits cada vez maiores… – a necessidade de espaçá-los, a uma distância de apenas…10-20 nanômetros — ou seja… separados por apenas 50 átomos. Pesquisadores da ‘UNSW’ já são líderes no mundo em fazer ‘spin-qubits‘ nessa escala, mas, como comentou Morello…“Se quisermos fazer uma série de milhares ou milhões de qubits tão próximos, então todas linhas de controle e dispositivos de leitura devem ser fabricados nessa mesma escala…com mesma densidade de eletrodos. – E aí nosso conceito sugere outro caminho…Essa nova abordagem baseada em silício fica bem no ponto ideal. Além de ser mais fácil de fabricar, do que dispositivos em escala atômica, ainda permite colocar um milhão de qubits em um milímetro quadrado”. No qubit de átomo único usado pela equipe de Morello, onde o novo design de Tosi se aplica…um chip de silício é coberto com uma camada de óxido de silício isolante – acima do qual há um padrão de ‘eletrodos metálicos’ operando a temperaturas próximas do 0ºK, na presença de um forte campo magnético. No centro está um átomo de fósforo, no qual a equipe de Morello construiu 2 qubits funcionais – usando um elétron e o núcleo do átomo. — Tais qubits … individualmente … atingem tempos recordes de “coerência“.
Representação artística de um “flip-flop qubit” conectado a uma matriz de silicone no chip. [Guilherme Tosi]
“Este é o ponto crucial…Estes dipolos elétricos interagem uns com os outros em distâncias muito grandes, uma boa fração de um mícron, ou mil nanômetros. Isso significa que agora podemos colocar os qubits atômicos muito mais separados, do que se pensava ser possível. Então, conseguimos espaço suficiente para intercalar os principais componentes clássicos, como interconexões, eletrodos de controle e dispositivos de leitura – mantendo a natureza precisa do bit quântico do átomo”, acrescentou Morello, que classificou o conceito de Tosi, tão significativo quanto o artigo seminal de Bruce Kane em 1998 na “Nature”…Nele, Kane, então na ‘UNSW’ elaborou a 1ª arquitetura para computador quântico com base em silício.
“Como o artigo de Kane, esta é uma teoria, uma proposta – o qubit tem ainda que ser construído”, disse Morello. “Nós temos alguns dados experimentais preliminares que sugerem que é totalmente possível, então estamos trabalhando para demonstrar isso, completamente…Mas acho que isso é tão visionário quanto o artigo original de Kane”.
A construção de um computador quântico vem sendo chamada de ‘corrida espacial‘ do século 21 – um desafio difícil e ambicioso…com o potencial de fornecer revolucionárias ferramentas para abordar cálculos antes impossíveis…incluindo aí…uma infinidade de aplicações úteis: na saúde, defesa, finanças, química, desenvolvimento de materiais…e, arquitetura de softwares, indústria aeroespacial, transportes, etc… — Sua velocidade, e poder estão no fato de que os sistemas quânticos podem…simultaneamente…hospedar múltiplas ‘superposições’ de diferentes estados iniciais…aliado a um ‘emaranhamento’, que só ocorre … ao nível quântico das partículas fundamentais. (texto base – set/2017) *******************************************************************************
Diagrama do processador quântico de 5 qubits [IBM]
Seguindo os passos dos pesquisadores da Universidade de Bristol, Inglaterra, que, em 2013, disponibilizaram grátis, via internet, um processador quântico, a IBM acaba de anunciar ‘livre acesso’ também ao seu ‘processador quântico’.
Como as 2 equipes já estão trabalhando, em versões atuais, com dezenas de qubits, por isso resolveram tirar vantagem de suas versões – mais simples…mas mais estáveis. – A expectativa é que — quando os usuários…especializados ou não, tentarem programar o “processador quântico”…online – importantes informações serão obtidas…ajudando a desenvolver – dessa maneira, versões ainda mais sofisticadas…como disse Jerry Chow:
“Estamos ansiosos para sermos surpreendidos pelos algoritmos testados pelos usuários. — Queremos saber aonde as coisas não funcionam tão bem…e a estabilidade do experimento no tempo”.
O processador quântico da IBM poderá ser programado por um serviço web chamado “Composer” – porque a sua interface se assemelha a uma partitura musical. Tutoriais explicam como arrastar e soltar… ‘portas lógicas quânticas’… para criar um algoritmo, que poderá rodar nele. – Além disso, a IBM desenvolve um processador de 17 qubits, capaz de executar códigos de correção de erros; essenciais a ‘computadores quânticos‘. ********************************************************************************
IBM lança seu primeiro computador quântico comercial (jan/2019)
A IBM confirmou o lançamento do seu 1º computador quântico projetado para uso comercial. O ‘IBM Q System One‘ será alugado…e seus cálculos quânticos serão via internet. Com 20 qubits…o processador ainda está longe da “supremacia quântica“.
O equipamento da IBM combina sessões computacionais quânticas e eletrônicas…para permitir o acesso via internet…e a manipulação dos complicados algoritmos quânticos, sendo um upgrade do computador quântico de 5 qubits disponibilizado via internet em 2016. – Como novidades…há uma interface mais amigável, que permite aos algoritmos quânticos serem inseridos por meio de…’linguagens de programação’ comuns…como a “Python”, e um invólucro futurístico… – uma caixa quadrada de 2,70 metros…onde vai embutida toda a parafernália eletrônica e quântica – além de um sistema de ‘criogenia’, necessário para manter os qubits estáveis… — dentro de suas “armadilhas magnéticas”.
O processador quântico possui 128 qubits supercondutores e 24.000 componentes conhecidos como junções Josephson, ou qubits de fase Josephson. [Imagem: D-Wave]
A “IBM“…não é a primeira empresa a oferecer um ‘computador quântico’, para uso comercial. A…”D-Wave Systems” – que apresentou seu ‘processador quântico’ em 2007 — fez parceria com a gigante aeroespacial “Lockheed Martin”, em 2011… já vendendo seu sistema… há vários anos. – O processador quântico “D-Wave” tem 128 qubits … e foi alvo de dúvidas … sobre seu funcionamento — por não ser um processador universal (projetado p/… cálculos específicos), mas testes provaram ser quântico. (texto base)
Teste comparativo de processadores quânticos com resultados decepcionantes (2018) “Amostragem gaussiana de bósons” …”detonando a supremacia quântica” (dez/2020) ********************************************************************************
O fantástico potencial da computação quântica (Mar/2019) A computação quântica é o próximo grande passo da humanidade, todavia… seremos bons, o suficiente – para administrar tal poder?
Nós, seres humanos – tivemos por centenas de milhares de anos…galhos, pedras, nossos cérebros, e também fogo, como ferramentas. Mas hoje…sabemos que a maior ferramenta já criada é o ‘computador’. Desde meados do século 20… até agora – experimentamos um progresso exponencial… à medida que o seu poder de processamento…praticamente dobra – em poucos anos (“Lei de Moore“).
Contudo, essa regra computacional está chegando perto de seu limite, pois seus componentes estão cada vez mais próximos de um ‘tamanho atômico’.
Os computadores são essencialmente uma coleção de componentes simples, cada um com tarefas bem definidas: armazenamento de memória, processamento de dados, via lógica e matemática, e um modo de controlar tudo através de instruções. Um chip de computador é um dos componentes mais básicos…Cada um deles tem vários módulos, realizando algo específico, ditado por “portas lógicas”, feitas de transistores (0 ou 1 ‘bits’). Um monte de “transistores” compõem as portas lógicas … permitindo combinações que podem realizar operações mais avançadas, como multiplicação e divisão. – Com muitos desses, podemos calcular muitas informações, e realizar trabalhos importantes… por exemplo, em ciência!
Transistores também podem ser considerados interruptores que ligam ou desligam o fluxo de elétrons. Nesse nível, e à medida que se tornam cada vez menores, nos vemos perto das escalas ditadas pela “física quântica”. – Atualmente, um transistor pode medir cerca de 40 nanômetros ou menos; quase 500 vezes menor que uma célula média do corpo. Eles estão operando quase que na escala de um átomo. – Nesse nível…os elétrons não precisam fluir, eles podem se mover apenas usando “tunelamento quântico“. – Então, por isso… para aproveitar a física em um nível quântico…estamos produzindo “computadores quânticos”.
superposição & teletransporte quânticos
Em vez de usar ‘bits’, como nossa menor unidade de informação, agora temos ‘qubits’. Assim como bits têm 2 estados – qubits também representam apenas 2 estados … todavia, podem ser definidos usando qualquer propriedade física atômica, tais como “spin” de partículas…ou uma “polarização” horizontal/vertical…sob um “campo magnético”.
Além disso, na física quântica, os estados não precisam estar apenas ligados ou desligados (sim ou não) … eles também podem tirar proveito de uma “superposição”… a propriedade quântica que permite a uma partícula – se encontrar em qualquer combinação/proporção daqueles estados. Assim como no exemplo do gato de Schrodinger, uma partícula pode ser qualquer coisa, mas quando você realmente a testa ou observa…estará apenas em 1 estado.
Enquanto não estiver sob observação, a partícula pode ser parcialmente polarizada vertical e horizontalmente…mas, quando verificada … mostrará apenas um desses estados.
Assim, com a “superposição” nos computadores quânticos, agora temos um número drasticamente maior de combinações potenciais. Na computação clássica, 4 bits geram um total de 16 combinações possíveis, mas apenas uma delas pode ser usada. Porém, 4 qubits podem armazenar TODOS esses 16 valores de uma só vez…Nosso problema de capacidade limitada… deixa de ser um problema. – Outra propriedade impressionante que os qubits podem exibir é o ‘emaranhamento quântico‘…no qual 2 qubits estão misteriosamente ligados, não importando quão distantes estejam no mundo físico… e, reajam aos estados um do outro…Usando essa propriedade, podemos medir um qubit, e… conhecermos as propriedades de seu… “qubit emaranhado“… — ao mesmo tempo.
O estudo do entrelaçamento quântico também permite a pesquisa… sobre o chamado… “teletransporte quântico”. Colocando partículas, já entrelaçadas, em diferentes locais podemos usar os “métodos clássicos“ de comunicação, para enviar estados de uma partícula, em direção ao seu “par emaranhado”, independente da distância entre eles.
E uma outra propriedade que também podemos dispor é a…”manipulação de qubits“. Normalmente, nossas portas lógicas de computação…para um conjunto de entradas, nos fornecem uma ÚNICA saída. Já uma “porta quântica“ recebe uma entrada de qubits em superposição, gerando probabilidades, e uma nova superposição. Nesse ponto, os qubits podem ser medidos, e obtemos os 0s e 1s…os dados de que precisamos. O segredo aqui é que TODAS respostas possíveis são geradas ao mesmo tempo…e, não mais a única saída, da porta lógica tradicional. A resposta que recebemos provavelmente é a correta, mas há uma pequena chance de não ser. – No entanto…como TODAS as possibilidades já foram criadas…é rápido o trabalho para percorrer o restante…até chegarmos ao caminho certo.
Então, apesar deste procedimento não ser exatamente perfeito, o que realmente torna fantástica a…”computação quântica”, além da quantidade de dados que podemos nela armazenar…é o quão rápido e eficiente ela é. Uma ótima aplicação para isso, pode ser exemplificada em um…“banco de dados”, onde agora armazenaremos uma enorme quantidade de informação, com muito mais rapidez de pesquisa. – E, William Hurley, presidente do “Grupo de Normatização da Computação Quântica” do IEEE…concluiu: “Acredito que, um dia, a computação quântica poderá nos ajudar a resolver o enorme volume de dados que temos estocado, na abordagem de certos problemas. – Existem sistemas — gerando… “bilhões de dados por dia”… os quais podem ser a solução para ‘questões críticas‘… — incluindo nestas… — algumas de grande interesse social”.
“Simulações quânticas” também são muito beneficiadas, ao se utilizar da ‘computação quântica’. Um enorme número de cálculos e probabilidades pode ser assim gerado a taxas incríveis. Tais simulações nos ajudarão em: pesquisas climáticas, doenças genéticas, física teórica (é claro!)…e, em geral…qualquer problema que necessite de quantidades massivas de processamento de dados. original: (“The awesome potential of quantum computation”)
consulta: “Mitos e realidade sobre computadores quânticos” (mai/2022) “The future of Quantum Computing” – “Potential applications” (jul/2023) ************************(texto complementar)*************************
Será que nós próprios não poderíamos estar vivendo dentro de uma simulação do tipo Matrix?…Cientistas propõem um teste para sabermos dessa questão.
Matrix…“a Arte que imita a Vida”
Todos fãs da trilogia ‘Matrix’ sempre se questionaram da possibilidade que: fôssemos uma espécie de…‘agentes de software‘ da vida real… Ou mesmo, se o que chamamos ‘vida real’…não seria de fato uma ‘vida virtual’, fundada em uma outra realidade à qual não temos ‘acesso direto’. – Pois agora existe um ‘teste’ para saber se estamos … ou não em uma ‘simulação computadorizada’.
A ideia, proposta por uma equipe da Universidade de Bonn, Alemanha parece ir bem mais longe do que outro conceito, também atual, de que nosso universo pode ser um gigantesco ‘holograma‘. Segundo eles, mesmo nossos ‘deuses-programadores’ devem ter à disposição, uma capacidade de processamento limitada…e, sobretudo, cometer erros de programação. E essas imperfeições devem criar erros na simulação, que podemos ser capazes de detetar. Com efeito…as simulações computadorizadas são uma das principais ferramentas usadas pelos cientistas hoje, sejamos virtuais ou não. Os simuladores permitem estudar tudo…de um você-virtual, e da física dos arco-íris…até o Universo…passando pelo ‘planeta Terra‘ e nascimento das galáxias. – As simulações costumam criar matrizes 3D … de “células”…ou “átomos”, interagindo de modo crescente – até formar a coisa toda que se propõe estudar.
Como o poder computacional está crescendo continuamente, torna-se razoável pensar que um dia possamos simular o Universo inteiro, detalhe por detalhe. Isso imediatamente leva à questão… – Será que nós próprios poderíamos estar vivendo dentro de uma ‘simulação‘? Silas Beane e seus colegas propõem que, se estivermos vivendo em uma “matriz simulada” por computador (Matrix) então os raios cósmicos, partículas carregadas que chispam pelo Universo, estariam viajando ao longo das linhas, que conectam os elementos dessa matriz. Ou seja, a rota dos raios cósmicos deve seguir uma estrutura geométrica precisa…eles não viriam de todos os ângulos possíveis. Essa seria uma ‘inconsistência’…passível de deteção.
Mas vai levar ainda um bom tempo até que possamos ter essa ‘resposta’. Os limites de energia dos raios cósmicos observados em nosso universo significam que – sendo este mesmo uma simulação, ‘células’ de sua matriz não poderiam ser menores do que 10-12 femtômetros para que a falha aparecesse…E o problema seria então…o de construir detetores de raios cósmicos suficientemente precisos para medir, não só energia, mas também o ângulo de chegada de cada partícula de energia. E é certo que estamos bem longe disto – o ‘raio de um próton‘, por exemplo, mede pouco menos de 1 femtômetro.
Em todo caso… o fato é que a questão mais geral… — sobre se existem, ou não… outros níveis de realidade … além deste… — que afeta nossos sentidos, vem incomodando filósofos há séculos e séculos. (texto base) *****************************************************************
“Simulando um futuro quântico” No mundo virtual do filme Matrix, não há cidades, e nem prédios — que assim como cães e gatos, são bits…no processamento de um programa de simulação — rodando num computador…pra lá poderoso. Lá…a vida não existe em uma ‘realidade padrão’ da física clássica – mas sim… se repete na “memória”…desse “supercomputador“.
Talvez soe como disparate para alguns…mas o fato é que, muito das nossas vidas atuais já acontece apenas no mundo virtual, na forma de bits – as músicas que ouvimos…fotos que olhamos … as mensagens que trocamos, não existem mais em “discos”, “porta-retratos” e papéis. Tudo se reduz a uma fileira de bits armazenada em uma ‘nuvem computacional‘, cuja localização é incerta, e “essencialmente volátil“. Assim…simular um mundo virtual, tipo Matrix não deve mais soar tão estranho quanto talvez há alguns anos… Por exemplo, já existem, inclusive, esforços no sentido de se criar um meio de simular a própria Terra.
O conceito não é difícil de entender… – O que é fundamental numa simulação do tipo Matrix é a criação de um programa que contenha e seja capaz de simular todas leis da física, de forma a recriar um mundo como o que os nossos sentidos experimentam. E, para isto seria então necessário criar interfaces que possam transferir informações de todos nossos sentidos para o computador, e vice-versa. Claro que é tudo especulativo, em termos de realização prática; mas não de apuração matemática das possibilidades.
E, embora ‘simuladores computacionais’ já tenham se tornado essenciais na pesquisa científica…para desenvolver novos ‘produtos’ e ‘materiais’; e mesmo para lidar com o ‘mercado financeiro’, sabe-se que computadores clássicos não são capazes de simular a ‘vida real‘. Entretanto é isso o que estão fazendo Mile Gu, Elisabeth Rieper e Vlatko Vedral, da Universidade de Cingapura…e Karoline Wiesner (Bristol University). Para tanto…os pesquisadores desenvolveram uma nova forma, pela qual os computadores baseados na física quântica poderão superar o desempenho dos “clássicos” (sim, pois, se ainda não conseguimos fazer programas para ‘computadores comuns’ … sem erros, nem mesmo sabemos… — como, ou quem irá programar os computadores quânticos).
O trabalho agora divulgado implica que uma simulação da realidade do tipo Matrix, exigiria menos memória de um computador quântico, do que de um computador clássico…Mas o melhor ainda está por vir:
Os simuladores quânticos já estão se aproximando do uso prático – aqui estão ilustrados 3 tipos deles. [Riken Research]
“Processos estocásticos” A quantidade mínima de informação necessária para simular determinado processo estocástico…é importante tema de estudo no campo da “teoria da complexidade” — sendo mais conhecido como…”complexidade estatística”.
O grupo de cientistas analisou a simulação de processos estocásticos…onde existem vários resultados possíveis para uma certa conduta, cada qual com uma probabilidade calculável. Muitos fenômenos… de movimentos do mercado de ações – até difusão de gases … podem ser modelados como processos estocásticos. Os detalhes de como simular esses processos, são a chave da questão…É sabido como calcular a quantidade de informações transferidas intrinsecamente em qualquer processo estocástico… – Teoricamente…isso define a menor quantidade de informação necessária para o simular. Entretanto, “simulações clássicas de processos estocásticos”, de fato pedem mais armazenamento do que tais cálculos indicam.
O que o grupo agora demonstrou…é que os “simuladores quânticos“ precisam armazenar bem menos informação do que os clássicos; e mesmo os ideais. Isso porque as simulações quânticas podem codificar…”informações probabilísticas”, numa “superposição” onde um qubit de informação, representa mais que um bit clássico. – Mas, então…veio a surpresa. Cálculos revelaram que ‘simulações quânticas’ ainda não são tão eficientes quanto podem ser (ainda precisando armazenar mais informações do que o processo parece exigir). Isso sugere que a teoria quântica pode ainda não estar tão otimizada…como comentou Vedral:
“O que é fascinante para nós é que ainda há lacunas…E isso faz pensar na possibilidade de uma teoria além da física quântica.”
Então…nesse caso, antes de pensar em programar um computador quântico para criar uma Matrix própria, é bom descobrir essas leis mais profundas da natureza, para que sejam simuladas num computador… com o senso de realidade esperado. ****************************************************************************
O chip de 4 qubits foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica, quando partículas e antipartículas emergem virtualmente “do nada” – do chamado vácuo quântico.[IQOQI/Harald Ritsch]
Estamos ainda muito longe de compreender totalmente… as partículas elementares — os átomos, e seus constituintes — porque estes se comportam segundo as leis da “mecânica quântica”…apresentando “comportamentos probabilísticos” muito difíceis de monitorar. Se não dá para monitorar ao vivo, a saída é simulá-las em computador. Contudo, como as partículas não obedecem às leis da ‘física clássica’, simular seu comportamento, num ‘computador clássico’ – é tarefa impossível. A saída então… é construir “simuladores quânticos“, para rodar em computadores quânticos, reproduzindo o comportamento de qualquer ‘partícula subatômica’ – já que estas funcionam de uma forma semelhante.
Matéria e antimatéria surgindo do vácuo “Projetamos um novo conceito que nos permite simular num computador quântico a criação espontânea de pares elétron-pósitron a partir do vácuo”. (Christine Muschik)
Acaba de ser executada a primeira simulação de um evento quântico real, utilizando um simulador quântico. Sua construção, e uso prático, foi anunciada por Esteban Martinez, e uma equipe de físicos da Universidade de Innsbruck/Áustria… — em um experimento inédito, e histórico. A “simulação“…usando um “processador quântico” básico, com 4 qubits mostrou como pares de partículas/antipartículas emergem do vácuo quântico. O processador é composto por 4 íons de cálcio, eletromagneticamente conectados…e, controlados por “pulsos de laser“. Desse modo, como explicou Martinez em detalhes:
“Usamos pulsos de laser ao simular o campo eletromagnético do vácuo; assim… pudemos observar os pares criados, pela flutuação quântica de energia do campo. – Pela fluorescência do íon, sabemos se partículas e antipartículas foram criadas…Modificamos os parâmetros do sistema quântico, e então – estudamos o processo dinâmico da criação do par“.
Isto confirma grande parte das expectativas quanto aos simuladores quânticos. Muito embora computadores quânticos vão exigir muitos mais qubits – mesmo os primeiros processadores que já estão sendo construídos…serão, de fato, extremamente úteis nas pesquisas fundamentais da física. Afinal, um sistema simples com apenas 4 bits, já foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica…partículas e antipartículas fugazes emergindo virtualmente ‘do nada’, no chamado vácuo quântico.
As partículas (elétrons) e antipartículas (pósitrons) são “sentidas” pelos 4 qubits do simulador, que denunciam sua presença por meio de variações no feixe de laser. [Imagem: Esteban A. Martinez et al.]
“Estas 2 abordagens se complementam perfeitamente… – Com a evolução dos ‘simuladores quânticos‘ poderemos ser capazes no futuro, de entender melhor os experimentos … hoje realizados em aceleradores de partículas”. E, seu colega Rainer Blatt complementou…“Além disso, estudamos novos processos usando simulação quântica; impossíveis em um acelerador de partículas – como o ‘entrelaçamento de partículas’ … na criação do par”.
A equipe diz estar convencida de que futuros “simuladores quânticos”, maiores e mais poderosos serão capazes de resolver questões importantes na… “física de alta energia”, que não podem ser resolvidas por métodos convencionais… ou mesmo, simplesmente, construindo aceleradores e colisores ainda maiores. *** (texto base) *** (24/06/2016) ********************************************************************************
Simulador quântico mais rápido do mundo (23/11/2016) “Uma equipe do Japão e Alemanha desenvolveu o simulador quântico mais rápido do mundo…capaz de simular a dinâmica de um grande número de átomos…interagindo, uns com os outros…em ‘intervalos de tempo’ da ordem de um bilionésimo de segundo”.
O “simulador quântico” fez em um bilionésimo de segundo operações que o supercomputador convencional mais rápido não conseguirá fazer… – nem mesmo com todo o tempo do mundo.[Imagem: NINS/IMS]
No entanto…é extremamente difícil prever as propriedades de um desses sistemas, mesmo usando os supercomputadores mais rápidos já construídos, ou projetados. O supercomputador ‘Post-K’, por exemplo, que está sendo construído no Japão…e deverá ficar pronto em 2020, não calculará exatamente … nem mesmo a energia, propriedade básica da matéria… — para um número de partículas superior a 30.
Um conceito alternativo… ao uso de computadores clássicos envolve um “simulador quântico” no qual as partículas como átomos ou elétrons, são montadas em um sistema, cujas propriedades são ‘controláveis‘ — e triviais… tais como um condensado de “Bose-Einstein”… ou um “átomo de Rydberg“. Este sistema…é então usado para simular…’propriedades’ de um outro sistema – correlato ao que se pretende estudar… – e cujas propriedades … são desconhecidas.
Nobuyuki Takei e colegas montaram, a partir daí, um ‘simulador quântico‘ capaz de replicar a dinâmica de um sistema super-correlacionado de mais de 40 átomos em 1 bilionésimo de segundo… – algo que o…supercomputador ‘Post-K’… quando estiver pronto, não será capaz de fazer… nem mesmo… “com todo o tempo do mundo“.
A construção desse simulador foi possível usando uma nova abordagem na qual um pulso ultracurto de laser…(cada pulso dura apenas 100 bilionésimos de segundo)…é usado para controlar um conjunto muito denso de átomos — resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto. – Como prova de conceito a equipe simulou o movimento em conjuntos de elétrons, alterando a força das interações entre seus átomos. Como primeira aplicação prática…eles pretendem estudar como os elétrons interagem entre si … para dar origem à supercondutividade. (texto base) p/consulta: Simulador quântico permite pilotar átomos ***********************************************************************************
“Cristais do tempo”… permitirão simular uma internet inteira (nov/2020) Cristais do tempo ainda parecem coisa de ficção científica – só que não são, e podem se tornar a principal tecnologia das redes que obedecem as leis da mecânica quântica.
“Partículas” de um cristal do tempo não se organizam no espaço, mas sim num ritmo periódico no tempo, mudando constantemente, em repetitivos padrões previsíveis. [Imagem: M. P. Estarellas et al.]
Pensando na utilidade dos “cristais do tempo”, Marta Estarellas, e sua equipe do … “Instituto Nacional de Informática“… no Japão, acabam de criar um método — para empregá-los — na simulação de…“gigantescas redes”, reduzindo bastante a ‘demanda computacional‘ de modo a estudá-las… — e, prever o funcionamento de novas redes, antes mesmo de sua implantação. Aí seria possível testar se a ‘natureza quântica’ desses cristais permitiria sua utilização, como simuladores, no estudo de ‘grandes redes‘, do tipo “comunicação” ou “inteligência artificial”.
“No mundo clássico, essa tarefa seria impossível…pois exigiria uma quantidade descomunal de recursos computacionais. – Nós então, estamos não só trazendo um novo método de representar e entender processos quânticos, como também uma maneira diferente de explorar os benefícios dos computadores quânticos”.
O trabalho da equipe consistiu em representar o “derretimento“ de um cristal do tempo em termos de redes, e isso revelou o surgimento de um tipo muito especial de estrutura: as “redes sem escala“. Tais redes complexas têm as mesmas propriedades estruturais da internet, ou do tráfego aéreo, por exemplo…Assim, ter um sistema físico que permita sua simulação eficiente em laboratório…tem enormes implicações na área de tecnologia. Usando experimentalmente um modelo de cristal do tempo discreto, a equipe ‘derreteu’ a estrutura, adicionando um erro ao sistema; o que, para um experimento prático, pode ser feito com um aumento de temperatura. E Estarellas ainda explicou: “Auxiliados por uma técnica de visualização de rede… – identificamos pela primeira vez os mecanismos pelos quais o cristal do tempo derrete”… — E seu colega Victor M. Bastidas acrescentou:
“Além disso, ficou claro que, com um valor crescente de erro – o derretimento do cristal do tempo se comporta como uma transição de fase, algo semelhante à maneira como cristais … como um bloco de gelo … normalmente derretem”.
Simuladores quânticos “Simuladores quânticos” estão ganhando uso prático…até mesmo antes dos computadores quânticos – porque permitem simular diretamente – usando roteiro clássico, via software, eventos impraticáveis em supercomputadores.
O próximo passo, naturalmente, será construir o dispositivo prático…e a equipe já tem planos para usá-lo, criando um novo nível de capacidade aos processadores quânticos; embutindo neles (em alguns qubits) redes complexas exponencialmente grandes, para assim viabilizar a simulação de eventos muito complexos. Por exemplo, para descobrir novos materiais ou medicamentos é preciso simular reações químicas – que só podem ser simuladas por um dispositivo – no qual os elementos fundamentais se comportem exatamente como no mundo real – ou seja… seguindo as leis da…”mecânica quântica”. E o professor Kae Nemoto concluiu: “Usando este método, com alguns qubits pode-se até simular uma rede complexa, do tamanho de toda a internet mundial”. (texto base) *******************************************************************************
Bit quântico (de lacuna) é descoberto em um lugar onde não há nada (jun/2021) Na busca por tornarem os “computadores quânticos” uma realidade, pesquisadores estão testando diversos tipos de qubits: além dos fótons, elétrons, átomos e moléculas, incluem-se também… “materiais supercondutores sólidos” – e até mesmo…“defeitos no diamante“.
Esquema do dispositivo onde foram demonstrados os qubits de carga positiva. [Imagem: Daniel Jirovec]
Um novo candidato a bit quântico (que está-se mostrando mais eficaz que seus intuitivos equivalentes) — acaba de ser exibido…por uma equipe internacional. Daniel Jirovec e colegas, propõem usar um ‘portador de carga positiva’ … mais conhecido como…’lacuna’ – para então conseguir armazenar ‘dados quânticos’.
O elétron … portador de carga negativa, costuma ser entendido…como partícula ou onda…uma nuvem de probabilidade expressa por uma ‘função de onda’, que circunda núcleos atômicos. Mas a carga positiva – menos intuitiva … é expressa por uma “ausência de elétron” (lacuna).
Nem mesmo os físicos estão totalmente satisfeitos com a compreensão atual das cargas positivas, mas o fato é que as lacunas, para todos efeitos práticos, podem até mesmo se mover em materiais sólidos…à medida que um elétron vizinho preenche o espaço. Este, efetivamente descrito como partícula carregada positivamente…está assim se movendo.
Juntando qubits…semicondutores e supercondutores Ficou agora demonstrado que as lacunas também apresentam a propriedade quântica do magnetismo (spin) – o que permite interagirem entre si … quando próximas o suficiente.
Foram empilhadas várias misturas diferentes de silício e germânio – com apenas alguns nanômetros de espessura — umas sobre as outras — o que permite confinar as lacunas à camada do meio, rica em germânio. – No topo, minúsculos fios elétricos … as chamadas portas, foram adicionadas, para controlar o movimento das lacunas…aplicando tensão a elas. As lacunas … com carga elétrica positiva, reagem à voltagem, podendo ser movidas com extrema precisão dentro de sua camada. Utilizando este controle em escala nano, a equipe conseguiu colocar 2 lacunas próximas uma da outra…o suficiente…para criar um qubit a partir da interação de seus spins usando um campo magnético…com cerca de 10 militeslas… — Este é um campo magnético muito fraco… — em comparação com outras configurações de qubit similares — que exigem campos pelo menos 10 vezes mais fortes.
“Usando a configuração de germânio em camadas – é possível reduzir a força necessária do ‘campo magnético’ – e, portanto…permitir a combinação de nosso qubit…com qubits supercondutores … geralmente inibidos por fortes campos magnéticos” — disse Jirovec. Isso permitiria a construção de novos tipos de…‘computadores quânticos‘…combinando semicondutores e supercondutores – com estes últimos já tendo mostrado a capacidade de operar em matrizes, conectando vários qubits à distância. Além disso… tais qubits de spin de lacuna parecem promissores… – por sua velocidade de processamento…até 100 milhões de operações p/s. e sua longa vida útil…até 150 microssegundos. Normalmente, há compensação entre estas propriedades…mas uma mistura de qubits semicondutores com qubits supercondutores permitirá exploração simultânea dos 2 ganhos. (texto base)
Questões Cosmológicas 
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