computação quântica

COMPUTAÇÃO QUÂNTICA
Ademar Crotti Junior1, Ana Paula Biz1, Ana Paula Scotti1, Daniel Pezzi da Cunha2
1
Acadêmico(a) do curso de Ciência da Computação
2
Professor do curso de Ciência da Computação
Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC) – Criciúma/SC – Brasil
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo. Na tentativa de solucionar problemas de diversas naturezas, o ser humano vem
utilizando há décadas os conceitos da Física Clássica. No entanto, a necessidade de se
obter soluções para questões contemporâneas tem conduzido a ciência para novos
paradigmas. Nos últimos anos, descobriu-se que a física quântica possibilita a existência de
um tipo de computador completamente diferente – o computador quântico. Em
conseqüência, pelo menos três grandes áreas de estudo são diretamente afetadas:
comunicação, armazenamento e poder computacional. Este artigo tem o objetivo de
destacar as principais características dos novos sistemas computacionais e descrever o
cenário atual do avanço das pesquisas científicas relativas à computação quântica.
Palavras-chave: Computação Quântica; quantum bit; Lei de Moore.
1. Introdução
O computador atual é baseado na arquitetura proposta por John Von Neumann em 1946.
Desde então, não houve uma evolução significativa na arquitetura de computadores. Apesar
dos computadores terem evoluído, tornando-se menores e mais rápidos, continuam realizando
os mesmos cálculos matemáticos desde seus primórdios.
Em 1965, Gordon Moore, estabeleceu uma lei onde constatou que a cada 2 (dois) anos
aproximadamente, o número de transistores por unidade de área dobra e, consequentemente, o
poder de processamento dos computadores. Esta lei ficou conhecida como Lei de Moore e
vem se mantendo em vigor até os dias de hoje. Segundo esta lei, em 2020 a computação
clássica atingirá seu limite, sendo possível a representação de um bit de informação em um
átomo (OLIVEIRA et al, 2003).
Em 1981, Richard Feymann sugeriu o uso da mecânica quântica na computação
clássica, quando descobriu que os sistemas clássicos não poderiam representar sistemas
quânticos. A idéia sugerida por Feymann levou à miniaturização dos componentes e a
crescente busca por mais eficiência computacional, sendo que, quando um bit for
representado por um único átomo, não será fisicamente impossível fabricar algo menor
(OLIVEIRA et al, 2003).
A computação quântica guarda e processa informações armazenadas em átomos,
sendo um importante recurso na solução de problemas complexos que os computadores
clássicos não conseguem resolver, como a fatoração de números inteiros muito grandes ou
problemas de tentativa e erro.
2. A computação clássica
O conceito que se tem de computador hoje, é baseado na arquitetura de Von Neumann, que
afirma serem necessários, memória, processador, dispositivos de entrada e saída de dados e
barramento de comunicação para ter-se um computador (LOMONACO, 2002).
Esta forma de organização é extremamente eficiente na execução de aplicações em
computadores modernos, porém áreas como a Inteligência Artificial ficam restritas a um
processamento seqüencial, que é conseqüência dessa arquitetura.
Entretanto, é preciso que sejam desenvolvidas novas tecnologias, mais eficientes,
como a computação quântica, para que outras áreas que necessitam de muito poder
computacional, possam solucionar problemas complexos.
Para um melhor entendimento da computação quântica, é necessário entender a
Mecânica Quântica.
3. Introdução à mecânica quântica
A mecânica quântica é um segmento da física que estuda o movimento de partículas muito
pequenas, em escala subatômica.
Na física clássica os valores das grandezas são bem definidos, já na física quântica
não se pode medir com precisão os estados de uma partícula subatômica. O princípio da
incerteza de Heisenberg nos diz que quando se precisa encontrar a posição de um elétron
temos que incidir sobre ele algum tipo de radiação. Por exemplo, para descobrir a posição de
uma bola de plástico em um quarto escuro emite-se um feixe de luz que “bate” na bola e
volta, de maneira que não interfira na posição da bola (LOMONACO, 2002).
3.1. Bit quântico
Toda a informação na computação clássica é representada por bits, que assumem valores de 0
ou 1. Na computação quântica surge o quantum bit – chamado de qubit –, que pode assumir
os valores 0 ou 1 ou 0 e 1, possuindo outros estados possíveis. Esse fenômeno chama-se
superposição (RIEFFEL, 2000).
Pode-se utilizar uma analogia de fácil entendimento, supondo que se tenham duas
moedas; sob as leis da física clássica, haverá quatro combinações possíveis; porém se a moeda
fosse um elemento quântico, ambas as faces seriam visíveis ao mesmo tempo. Rieffel (2000),
relata que é impossível observar essa propriedade em objetos comuns. Tentar observar os
estados superpostos destrói a superposição.
Os qubits estão presentes em algumas moléculas de substâncias da tabela periódica,
e é através da Ressonância Magnética Nuclear (RMN) que manipulam-se as informações
nestes qubits. A RMN manipula o momento magnético de um núcleo e é por meio dela que
pode-se criar o estado superposto (MARQUEZINO, 2006)
Na Figura 1 ilustra-se a diferença entre bits clássicos e bits quânticos. O bit clássico
pode guardar 0 ou 1. Já o bit quântico tem vários estados possíveis que podem ser
representados por um ponto em qualquer lugar da esfera. O pólo norte equivale a 1 e o pólo
sul equivale a 0.
Figura 1 – Estados dos bits quântico e clássico.
Qualquer tentativa de ler um qubit resulta em 0 ou 1. A mensuração apaga todas as
informações contidas no bit quântico, exceto o bit de saída (NIELSEN, 2005). Essa
superposição de estados permite que um computador quântico realize 1 (um) milhão de
cálculos simultaneamente enquanto os microcomputadores tradicinais realizam somente 1
(um).
4. O computador quântico
A primeira pessoa a aplicar teorias quânticas à computadores foi Paul Benioff em 1981,
quando criou uma Máquina de Turing quântica. A Máquina de Turing consiste em uma fita
dividida em células, que pode se mover para esquerda ou direita, lendo e gravando
informações em bits. A diferença na máquina quântica de Benioff é que cada célula pode
comportar um estado de superposição do bit quântico (RIEFFEL, 2000).
A dificuldade em construir um computador quântico está na manipulação dos bits
quânticos sem alterar a informação que eles carregam. Os qubits precisam ficar armazenados
por tempo suficiente para realizar as operações. Devem ser lidos de forma precisa e,
principalmente, precisam atingir um isolamento perfeito a fim de evitar erros, pois qualquer
alteração no campo magnético pode alterar o estado do qubit.
Assim como na computação clássica, a computação quântica manipula as
informações por meio de portas lógicas que se assemelham às clássicas, com uma restrição,
devem ser reversíveis. Um exemplo interessante é a Porta de Toffoli que transforma um
registrador quântico em um registrador clássico, tornando possível a emulação de algoritmos
clássicos em computadores quânticos (RIEFFEL, 2000).
4.1 Algoritmos Quânticos
Foram criados vários algoritmos que utilizam o poder do computador quântico. O mais
importante deles foi desenvolvido em 1994, pelo pesquisador Peter Shor; resolve o problema
da fatoração de números inteiros grandes. Esse algoritmo utiliza a superposição quântica para
reduzir o tempo de solução do problema. A divulgação desse algoritmo chamou muita atenção
da sociedade científica, por possibilitar a utilização da mecânica quântica na computação e
também porque possibilita a quebra de certas chaves criptográficas. O método de criptografia
RSA, que é muito utilizado, seria ineficaz se inteiros grandes pudessem ser fatorados com
facilidade (LOMONACO, 2002).
Em dezembro de 2001, o algoritmo de Shor foi implementado em um computador
quântico de sete qubits, este computador foi criado por cientistas do Centro de Pesquisas da
IBM (International Business Machines Corporation). O computador foi utilizado para
fatoração do número 15 e, como esperado, o resultado foi 15 = 3 x 5, por mais simples que
seja, mostrou que computadores quânticos podem existir realmente. E operações que levariam
bilhões de anos para serem resolvidas por um computador clássico poderão ser resolvidas
rapidamente pelos computadores quânticos (figura 2). A tabela a seguir mostra estimativas de
tempo de fatoração em algoritmos quânticos e comuns (OLIVEIRA, 2003).
Figura 2 - Comparação do tempo de fatoração de números inteiros (OLIVEIRA, 2003).
5. Conclusão
Um computador clássico pode ser descrito de forma bastante genérica como uma máquina que
lê certo conjunto de dados, codificado em zeros e uns, executa cálculos e gera uma saída
também codificada em zeros e uns. Um computador quântico vai além da tecnologia presente,
baseando-se nos diferentes estados que um bit quântico pode assumir aumentando
exponencialmente sua velocidade de processamento.
Quando a construção de máquinas quânticas para uso comercial se tornar possível,
surgirá a necessidade de se desenvolver novos algoritmos quânticos. Outro ponto interessante
é que não se faz necessário a criação de uma arquitetura mais eficiente em termos de
processamento para resolver tarefas que os computadores clássicos já resolvem com
eficiência, ou seja, áreas específicas, como inteligência artificial e criptografia, teriam um
maior interesse no desenvolvimento dessa nova tecnologia.
O computador quântico possibilita o desenvolvimento de uma nova arquitetura de
computadores, o que elevaria muito o poder computacional comparado aos computadores
atuais. No entanto, ele faz os mesmos cálculos que o computador tradicional faz.
Referências
LOMONACO, S.J. Jr. A Rosetta Stone for quantum mechanics with an introduction to
quantum computation. Washington, DC, volume 58 of Proc. Sympos. Appl. Math.,
pages 3–65. Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2002.
NIELSEN, Michael A.; CHUANG, Isaac L. Computação Quântica e Informação
Quântica. Porto Alegre: Bookman, 2005.
OLIVEIRA, Ivan S.; AZEVEDO, Eduardo R. de; FREITAS, Jair C. C. de. Computação
quântica. Revista Ciência Hoje, 2003.
RIEFFEL, E.; POLAK, W. Introduction to quantum computing. ACM Computing
Surveys, 32(3):300–335, 2000.