Computação Quântica - LARC-USP

Computação Quântica
Rafael T. Possignolo
19 de agosto de 2011
O que é computação quântica?
Mas afinal o que é “computação”???
Computação
“A computação pode ser definida como a busca
de uma solução para um problema a partir de
entradas e tem seus resultados depois de
trabalhada através de um algoritmo. (...), a
computação foi executada com caneta e papel,
ou com giz e ardósia, ou mentalmente, por
vezes com o auxílio de tabelas ou utensílios
artesanais.” (Wikipedia)
Mas o que essa definição nos diz sobre
os computadores atuais?
Computador é uma máquina capaz de variados
tipos de tratamento automático de
informações ou processamento de dados.
Exemplos de computadores incluem o ábaco,
a calculadora, o computador analógico e o
computador digital. [Wikipedia]
O que define a capacidade de um computador?
O que faz diferencia na prática um computador
analógico de um computador digital?
O que diferencia um computador mecânico de
um computador eletrômecanico ou de um
computador eletrônico?
Um computador quântico é um dispositivo
que executa cálculos fazendo uso direto de
propriedades da mecânica quântica, tais
como sobreposição e interferência.
Mas então, por que se preocupar com
computadores quânticos?
Os atuais não são bons o suficiente?
Qubits
•Qubit é a unidade de informação quântica
•Um
qubit possuiinfinita
informação infinita, mas só se pode
informação
extrair
de informação
(0 e 1um
aobitmesmo
tempo)
•Qubits assumem uma superposição de valores
• (0 e 1 ao mesmo tempo)
•|0>• e|φ›|1>
são+ convencionados
o sistema
= a|0›
β|1›
(a2 + β2 = para
1)
implementado
•Observação destrói a superposição, o sistema passa
para o estado (clássico) 0 (com probabilidade a 2) ou
para o estado 1 (com probabilidade β2)
Superposição Quântica
• Como visto no slide anterior um qubit pode estar
em uma superposição de dois estados
• Um “registrador” quântico de n-bits é uma
superposição de 2n estados
• Um registrador de 3 qubits estará em uma
superposição de 8 estados:
• |0> + |1> + |2> + ... + |7>
(ao mesmo tempo!)
Superposição Quântica
• Efetuar operações sobre estados superpostos é o
mesmo que efetuar operações sobre cada um dos
estados puros
• Tudo de uma só vez
• Esse efeito é chamado de “Paralelismo quântico”
• Um exemplo: |a> = |000> + |011> + |101>
• Not(|a>) = |111> + |100> +|010>
Superposição Quântica
Superposição Quântica
• Classicamente:
• Quanticamente:
• Quanticamente:
(com anteparo)
Emaranhado Quântico
• Dois os mais qubits podem se conectar de tal
forma que o estado de um passa a estar
intimamente ligado ao do outro
• Dois qubits emaranhados (A e B) no estado:
• Se uma leitura em A resultar em 0 (resp. 1) uma
leitura em B resultará em 0 (resp. 1)
• Essa ligação independe da distância
Emaranhado Quântico
• Isso permite entre outras coisas o chamado
teleporte quântico
• Recorde atual de 144km [1]
• O teleporte não é da partícula, mas do estado
[1] http://www.nature.com/nphys/journal/v3/n7/abs/nphys629.html
Implementações
• Diversos tipos de implementações foram
propostos com vantagens e desvantagens, entre
eles:
• Armadilha de ions
• Ressonância magnética
• Fótons polarizados
• Juntas de Josephson
• Pontos quânticos
Implementações
• Armadilhas de ions
• Ions “presos” através de campos magnéticos
• Estados quânticos codificados no spin
atômico
• Operadores se baseiam em aplicações de
lasers
• Necessidade de moléculas grandes
• Dificuldade de manter o ion no lugar
• Baixas temperaturas (~ 10K)
Implementações
Implementações
• Ressonância magnética
• Moléculas mantidas em solução
• Estados quânticos codificados no spin
atômico
• Operadores se baseiam na aplicação de
pulsos magnéticos
• Necessidade de moléculas grandes
• Respostas muito fracas
• Baixas temperaturas (~ 10K)
Implementações
Implementações
• Fótons polarizados
• Luz viajando pelo espaço
• Estados quânticos codificados na polarização
do fóton
• Operadores se baseiam em lentes e espelhos
• Difícil emaranhar muitos fótons
• Temperatura ambiente
Implementações
Implementações
• Juntas de Josephson
• Corrente e fluxo em circuitos elétricos especiais
• Estados quânticos codificados no sentido da
corrente ou fluxo
• Operadores se baseiam na aplicação de tensões
elétricas
• Difícil emaranhar
• Fabricação parecida com chips
• Temperaturas baixas (~ 10K)
Implementações
Implementações
• Pontos quânticos
• Elétrons confinados na estrutura topológica de
circuitos
• Estados quânticos codificados no spin de elétrons
• Operadores se baseiam tensões elétricas
(campos elétricos)
• Difícil emaranhar
• Fabricação parecida com a de chips
• Temperaturas baixas (~10K)
Implementações
Problemas em Aberto
• Controle da perda de coerência de estados quânticos
• Ou aprender a lidar com eles (Códigos Quânticos
Corretores de Erros)
• Miniaturização
• Dos componentes e/ou dos compressores de
hélio líquido
• Escalabilidade
• Maior CQ feito tem apenas 14 qubits
Problemas em Aberto
• Novos algoritmos quânticos com ganho real sobre os
concorrentes clássicos
• Hoje existem apenas alguns poucos
• Outras tecnologias de implementação (?)
• Ou definir uma tecnologia e focar
• Implementação de memórias quânticas
• É possível guardar estados quânticos?
• É necessário??
• Outros...
PERGUNTAS