Caros Leitores;
Em outubro de 2022, o presidente dos EUA, Joe Biden, visitou um computador quântico em Poughkeepsie, NY. A linda engenhoca foi construída pela empresa de alta tecnologia IBM. Como uma escultura futurista, tinha curvas complexas de tubos e fios de ouro.
Fotos da visita mostram Biden estudando o maquinário. Mas qualquer um que olhe para essas fotos pode se perguntar: como isso é um computador?
A temperatura dentro da máquina, chamada IBM Quantum System One, é quase insondavelmente baixa. É uma fração de grau acima do zero absoluto , que é a temperatura mais fria possível. A IBM instalou máquinas Quantum System One em muitos lugares ao redor do mundo. Alguns deles estão envoltos no mesmo tipo de vidro usado para proteger a Mona Lisa de Leonardo da Vinci.
O presidente dos EUA, Joe Biden, visitou a IBM em Poughkeepsie, NY, em 2022, onde o CEO da empresa, Arvind Krishna, descreveu um computador quântico. Os tubos e fios parecem um lustre dourado. Na verdade, eles são usados para ajudar a manter o computador resfriado logo acima do zero absoluto.MANDEL NGAN/CONTRIBUIDOR/AFP/GETTY IMAGES
No zero absoluto, tudo para de se mover. E a computação quântica só pode ocorrer a uma fração de grau acima do zero absoluto. A parte dourada do Quantum System One com aparência de escultura é o que mantém a parte da computação tão fria.
“Sempre que você pesquisa 'computador quântico' no Google, as imagens que aparecem são esses grandes e lindos lustres dourados”, disse Corban Tillemann-Dick. Ele fundou a Maybell Quantum Industries em Denver, Colorado. Ele falou lá sobre essas máquinas quânticas em fevereiro passado. Foi na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência.
Esta é uma máquina IBM Quantum System One instalada em Tóquio. Os computadores quânticos exigem as temperaturas mais baixas possíveis, e o lustre dourado é como uma geladeira gigante.SATOSHI KAWASE, PARA IBM/IBM RESEARCH/FLICKR ( CC BY-ND 2.0 DEED )
Olhando para essas fotos, “me divirto”, disse ele. “Eles pensam que estão ao lado de um computador quântico. Mas na verdade esse lustre é a geladeira”.
A parte que resolve problemas de computação fica em um pedaço de silício na parte inferior da engenhoca. É tão pequeno que cabe na sua mão. Tillemann-Dick deveria saber. Ele projeta e constrói maneiras de manter esses dispositivos quânticos resfriados. (Ele brinca dizendo que é vendedor de geladeiras de alta tecnologia.)
As empresas de tecnologia – incluindo IBM, Microsoft, Google e outras – estão correndo para construir o melhor computador quântico. Por que? Seus cientistas acreditam que esses dispositivos em breve serão capazes de concluir tarefas e resolver problemas mais rapidamente do que qualquer processador de números atual. A computação quântica provavelmente será capaz de resolver problemas que as máquinas atuais não conseguem.
Os computadores quânticos ainda não são capazes de fazer isso. Mas eles estão chegando perto.
Kayla Lee é bióloga de formação e agora trabalha na construção de uma comunidade global de computação quântica na IBM em Charlotte, Carolina do Norte. É um momento emocionante para estar na área, diz ela. “Há tantas oportunidades”.
Qual é o problema?
Já tivemos alguns vislumbres de que os computadores quânticos poderão um dia superar os computadores normais ou clássicos.
Veja o Sycômoro. Em dezembro passado, o Google informou que o Sycamore – seu sistema quântico – completou rapidamente uma tarefa difícil relacionada ao funcionamento de um sistema aleatório. Foram necessários apenas seis segundos. A mesma tarefa provavelmente exigiria anos no computador tradicional mais rápido do mundo . Esse é um supercomputador conhecido como Frontier . Está alojado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee.
O teste do Google colocou o Sycamore em alguns passos iniciais. O problema resolvido em seis segundos mostrou o poder de processamento de números da máquina. Mas essa tarefa computacional em si não é muito útil para resolver os problemas do mundo. Nenhum computador quântico funciona bem o suficiente para começar a resolver desafios grandes e importantes. O que deixou os especialistas entusiasmados é o que esta nova geração de computadores poderá fazer – e em breve.
Vídeo:https://youtu.be/qT5sD3GPpmI
Este pequeno vídeo compara computadores convencionais a computadores quânticos. Também aponta para algumas das funções especiais onde um processador quântico de números pode brilhar. Para vê-los imediatamente, vá para a marca de 3 minutos do vídeo .
Alguns prevêem que as máquinas quânticas resolverão problemas complexos relacionados com as alterações climáticas. Os computadores quânticos também podem identificar melhores designs de baterias. Podem encontrar novas formas de gerar energia renovável ou tornar os sistemas energéticos mais eficientes.
Os computadores quânticos também poderiam ajudar a resolver o que parecem ser problemas antigos, mas na verdade não são.
Descubra como transportar mercadorias ao redor do mundo. Isto é extremamente difícil de otimizar porque envolve caminhões, trens, navios e aviões movendo-se em diferentes ambientes. As empresas de transporte marítimo podem economizar tempo, dinheiro e energia usando as melhores rotas. E os computadores quânticos podem ajudar a encontrar esses caminhos.
Parte do trabalho de Lee na IBM é ajudar as pessoas a aprender o que os computadores quânticos serão ou não capazes de fazer. Ela também ajuda empresas e pesquisadores a aprender como usar esse dispositivo. Mesmo sendo um computador, um computador quântico é diferente da tecnologia por trás de laptops, telefones e outros eletrônicos.
Pequenas coisas, grandes possibilidades. Em uma cúpula de computação quântica em dezembro de 2023, a IBM apresentou o Heron (na foto), seu chip de processamento quântico mais poderoso de todos os tempos. É especializado para reduzir erros em computação quântica.RYAN LAVINE/IBM/FLICKR ( CC BY-ND 2.0 DEED )
Alguns artigos de notícias, diz Lee, exageram nas possibilidades. “Não é apenas um computador mais rápido”, diz ela. “Isso não vai resolver todos os problemas”.
Um grande desafio é encontrar os problemas que os computadores quânticos resolverão com mais rapidez.
Em alguns casos, um computador quântico pode não oferecer uma vantagem se não houver um algoritmo quântico , ou receita, para resolver um problema. E alguns problemas resolvidos por algoritmos quânticos ainda podem ser resolvidos com a mesma rapidez pelos computadores clássicos. Os computadores quânticos também podem não ser bons em tarefas que exigem muita memória, porque ainda não conseguem armazenar muitos dados. Eles também podem não acelerar tarefas que se concentram na multiplicação ou adição de números porque os computadores clássicos já fazem isso bem.
Mas esses computadores emergentes deveriam se destacar em certos tipos de problemas, diz Lee. Saber como depende de saber como funcionam os computadores quânticos.
Estranheza quântica
A ciência que levou à computação quântica remonta a centenas de anos. Tudo começou com físicos que queriam saber mais sobre o comportamento da luz.
No século XVII, Isaac Newton argumentou que a luz era composta de minúsculas partículas. Mas experiências nos séculos XVIII e XIX mostraram que a luz viajava como uma onda. Em 1900, a maioria dos cientistas pensava que a luz era composta de ondas.
Na verdade, tanto o Team Wave quanto o Team Particle estavam certos – e errados.
Em 1905, o físico Albert Einstein juntou as peças. Ele propôs que a luz viajava como uma onda, mas poderia ser observada como uma partícula. Outro físico introduziu posteriormente o termo “fóton” para esse tipo de partícula.
Vídeo:https://youtu.be/xZcs_PVi5WAA luz pode agir como uma partícula ou uma onda. Vamos explorar a história dessa descoberta bizarra.
Descobertas surpreendentes sobre fótons no início de 1900 abriram caminho para computadores quânticos, diz Lee. A principal delas foi a ideia de superposição.
O princípio da superposição diz que, graças à sua natureza ondulatória, um fóton pode existir em mais de um estado ao mesmo tempo. Aqui, a palavra “estado” descreve alguma propriedade física da partícula, como a sua localização. Portanto, a regra da superposição diz que um fóton pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo.
Na verdade, nunca veremos um fóton em dois estados (como dois lugares) ao mesmo tempo. Assim que você olha para um fóton, ele só tem uma localização. Os físicos explicam isso dizendo que “entra em colapso” em um estado. Mas embora um fóton permaneça despercebido, a superposição permite que ele exista em vários estados ao mesmo tempo.
Este dispositivo da Universidade de Princeton usa lasers para resfriar e controlar moléculas individuais. Agora permite-lhes emaranhar moléculas para que partilhem um estado quântico. Os cientistas relataram isso em dezembro passado na Science . Moléculas emaranhadas podem ser usadas como blocos de construção de computadores quânticos.UNIVERSIDADE DE PRINCETON, RICHARD SODEN
Desde então, os físicos descobriram que os fótons não são as únicas partículas que podem agir como ondas. Elétrons , átomos e até moléculas podem apresentar comportamento ondulatório. Então eles também seguem a regra da superposição. É apenas mais difícil ver esses estranhos efeitos quânticos quando olhamos para objetos maiores em temperaturas mais altas.
Se isso parece confuso para você, você está em boa companhia.
“Acho que posso dizer com segurança que ninguém entende a mecânica quântica”, disse Richard Feynman em uma palestra que proferiu em 1964 . E ele deveria saber. Ele é o físico que teve a ideia de aproveitar a estranheza da superposição em um computador.
Mesmo depois de cientistas e engenheiros como Feynman terem tido a ideia de um computador quântico, levaram décadas para construir tal máquina. Pense nisso, diz Lee, como “um novo modelo de computação”.
Bits, qubits e emaranhamento
Um computador normal armazena e processa informações usando bits. Um bit é uma espécie de interruptor que pode estar em um de dois estados: ligado ou desligado. Isso pode ser descrito como o bit com valor “1” ou “0”. Cada bit deve estar em um estado ou outro em um determinado momento.
Vê aqueles cinco quadradinhos no meio desse chip fabricado pela IBM? Esses quadrados são os qubits usados por um computador quântico para fazer cálculos.IBM RESEARCH/FLICKR ( CC BY-ND 2.0 DEED
Se você estiver lendo isso em uma tela, cada letra, número e sinal de pontuação que você vê serão representados por bits em seu dispositivo digital. São necessários cerca de 5 bits para representar uma letra ou número. Dentro de um computador, um dispositivo chamado transistor atua como bit. Os computadores modernos podem armazenar centenas de bilhões de bits.
Os computadores quânticos são diferentes. Em vez de bits, as máquinas quânticas armazenam e processam dados usando qubits. É a abreviação de “bit quântico”. Qubits podem ser feitos de qualquer partícula ou molécula quântica que possa existir em uma superposição de estados.
Ao contrário de um bit, um qubit não se limita apenas a estar ligado ou desligado. Por causa da superposição, ele tem alguma probabilidade de estar ligado e alguma probabilidade de estar desligado a qualquer momento. Não se estabelece num desses estados até que alguém o avalie. Então, ele “entra em colapso” em um único estado, assim como acontece com um fóton quando alguém o observa. A combinação de todos esses qubits colapsados revela a resposta para o problema.
Os computadores dentro do seu laptop e telefone celular usam bits para armazenar e processar dados. Um bit é como um interruptor que está ligado ou desligado (ou na posição “0” ou “1”). Mas os qubits usados pelos computadores quânticos são diferentes. Um qubit tem alguma probabilidade de estar no estado “0” e alguma probabilidade de estar no estado “1”. Não está em nenhum dos estados até que seja medido.
CALIN HANGA/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS
“É isso que nos dá uma grande aceleração”, diz Dan Gauthier. Ele é físico da Ohio State University, em Columbus. Sua pesquisa se concentra em como usar a tecnologia quântica em novas ferramentas.
Como podem estar em vários estados ao mesmo tempo, os qubits podem processar dados mais rapidamente do que os bits clássicos, diz Gauthier. Imagine que você quisesse encontrar o caminho em um labirinto. Usar um computador clássico é como tentar cada caminho possível, um de cada vez. Um computador quântico, por outro lado, age mais como uma névoa que pode flutuar através das paredes, pairar sobre todos os caminhos do labirinto e condensar-se no caminho correto.
Um monte de qubits conectados pode acumular muito poder de computação. Digamos que você tenha um computador quântico e um computador comum que possa armazenar e computar a mesma quantidade de informações. Se você adicionar apenas um qubit ao computador quântico, seu computador comum precisará agora do dobro de memória para armazenar as mesmas informações que o computador quântico. Também será necessário o dobro do tempo para calcular o mesmo problema.
Os computadores quânticos também podem ser impulsionados por outra característica estranha da física. É chamado de emaranhamento . Os físicos previram esse tipo especial de conexão entre fótons na década de 1930. Se dois fótons estiverem emaranhados, cada um perde sua individualidade. Os dois agora compartilham um único conjunto de propriedades. Se os cientistas medirem as propriedades de uma partícula, eles conhecerão automaticamente as mesmas propriedades da outra partícula.
Vídeo:https://youtu.be/DbbWx2COU0E
Vamos explorar o estranho fenômeno do emaranhamento quântico.
A parte mais estranha do emaranhado? Se você emaranhar duas partículas e afastá-las uma da outra, elas permanecerão emaranhadas. Isso foi comprovado em experimentos de laboratório. Albert Einstein chamou isso de “ação assustadora à distância”. Por que? Porque parece que as partículas, de alguma forma, compartilham informações instantaneamente. E nada, nem mesmo a informação, deveria viajar mais rápido que a velocidade da luz.
Como funciona o emaranhamento ainda é um mistério da física. Mas os cientistas encontraram maneiras de emaranhar os fótons. Eles também encontraram maneiras de emaranhar átomos. Em dezembro de 2023, físicos da Universidade de Princeton mostraram até como emaranhar moléculas compostas por muitos átomos . O emaranhamento pode ser útil para computadores quânticos porque os erros são mais fáceis de encontrar e corrigir em qubits com estados emaranhados.
Os cientistas ainda estão tentando encontrar as melhores maneiras de construir qubits e reuni-los. O desafio, explica Gauthier, é trabalhar com coisas tão pequenas. A superposição e o emaranhamento só podem ser observados em escalas minúsculas e em temperaturas muito baixas. “A mecânica quântica tem regras diferentes”, diz ele, “sobre como criamos um sistema maior a partir de um monte de pequenas entidades quânticas”.
Vídeo:https://youtu.be/zhQItO6_WoI
Este divertido vídeo de 12 minutos mostra como os computadores quânticos funcionam e por que eles não resolvem todos os problemas mais rapidamente do que os computadores antigos. Na verdade, os computadores quânticos realmente brilham onde algum problema se torna especialmente complicado. Para ver o porquê, vá para a marca de 8 minutos do vídeo .
Resolvendo problemas de maneira quântica
Aqui está um exemplo de problema que um computador quântico pode resolver.
Imagine que seu professor de matemática lhe dá dois números primos muito grandes e pede para você multiplicá-los. (Lembre-se de que um número primo só é divisível por ele mesmo e por 1.) Provavelmente você pode fazer isso com bastante facilidade, especialmente com uma calculadora.
Agora imagine que você tenha o mesmo problema ao contrário. Seu professor lhe dá um número muito grande e pede que você encontre dois números primos (fatores) que, quando multiplicados, darão esse número grande.
É mais difícil. Você poderia começar tentando dividir o número grande por números primos, subindo a lista número por número. Divida por 2, depois por 3, depois por 5, depois por 7 e assim por diante. Mas uma calculadora não vai te ajudar muito. Nem um computador normal. Mesmo com um bom algoritmo esta tarefa torna-se muito difícil, muito rápida. Encontrar fatores para um número de 250 dígitos exigiria milhares de anos em um computador comum.
Não é assim para um computador quântico!
Devido à superposição quântica, este dispositivo poderia descartar mais rapidamente soluções erradas e encontrar as soluções certas. Em 1994, o matemático Peter Shor descreveu um algoritmo quântico sobre como fazer isso . Os matemáticos acham que o algoritmo de Shor oferece uma aceleração devido ao emaranhamento. Um computador quântico poderoso o suficiente poderia identificar esses fatores rapidamente. Pode avaliar todas as soluções de uma só vez, explica Gauthier.
A capacidade de encontrar fatores primos de números supergrandes pode não parecer útil. Mas na verdade pode representar um risco de privacidade para muitas informações confidenciais enviadas pela Internet. Isso pode incluir registros financeiros ou de saúde.
Quando os dados são enviados on-line, eles são criptografados — ou ocultos dos hackers — usando um algoritmo. Um dos algoritmos de criptografia mais poderosos envolve a multiplicação de grandes números primos. Para entender os dados criptografados, o destinatário pretendido deve conhecer esses dois números. Eles atuam como uma espécie de chave para desbloquear a mensagem.
Os espectadores podem ver a mensagem criptografada. Mas para entender isso, eles precisariam conhecer esses dois fatores principais. E como encontrar esses fatores é um problema difícil para qualquer computador hoje, nenhum hacker deveria ser capaz de encontrar a chave.
Com o algoritmo de Shor, um computador quântico poderia. Então, um hacker poderia desmascarar os dados criptografados. Isso deixa os especialistas em segurança de computadores nervosos. Portanto, os cientistas da computação estão em busca de maneiras seguras para manter nossos dados protegidos.
Lee, da IBM, ressalta que os computadores quânticos também serão capazes de resolver outros problemas complexos do mundo real. Eles podem ser usados para encontrar novos medicamentos. Ou estude sistemas financeiros como o mercado de ações. Ou analise reações químicas — ou até mesmo ajude os cientistas a entender melhor a física quântica.
Além disso, lembra-se do problema de encontrar as rotas mais eficientes para o transporte de mercadorias? Usando qubits, um computador quântico poderia encontrar rapidamente rotas que fossem mais baratas, mais rápidas ou mais eficientes em termos energéticos ou que tivessem uma pegada de carbono menor. Ou poderia encontrar um mashup melhor de tudo isso.
O que está impedindo a revolução da computação quântica?
No momento, todas essas aplicações permanecem apenas possibilidades. Eles ainda não podem ser calculados, pelo menos não em um período de tempo razoável. Os computadores quânticos também não têm qubits suficientes – ou precisão suficiente – para fatorar enormes números primos. Portanto, eles ainda não representam um risco para os dados criptografados.
Na verdade, os qubits de hoje estão sujeitos a erros. Isso porque eles são suscetíveis ao ruído. O ruído pode ser qualquer coisa que interfira na sua superposição. Sinais Wi-Fi, por exemplo, ou temperatura.
O ruído mistura as informações armazenadas ou computadas em um computador quântico. Uma grande parte da pesquisa em computação quântica concentra-se na redução de erros. Isso pode ser feito alterando o design dos chips de computação quântica, melhorando o software ou aproveitando melhor o emaranhamento.
“Ainda estamos descobrindo como é um bom qubit e como eles se comunicam”, diz Lee.
As empresas estão correndo para construir computadores quânticos maiores e melhores. Em outubro de 2023, uma empresa norte-americana chamada Atom Computing revelou o primeiro a ter mais de 1.000 qubits . Desde então, a IBM também construiu uma máquina de 1.000 qubit. A versão mais recente do sistema Sycamore do Google tem apenas 70 qubits, mas produz poucos erros.
Os investigadores estão entusiasmados com o rápido progresso e o potencial destes sistemas. Mas os computadores quânticos precisam de algum tempo e testes antes de serem verdadeiramente úteis.
“Se você me perguntar quando teremos algum retorno real, não tenho ideia”, diz Gauthier. “Sempre fico surpreso com a rapidez com que as coisas estão progredindo. Mas ainda não estou disposto a colocar uma escala de tempo real nisso”.
Por
Fonte: Snexplores/ Publicação 30-05-2024
https://www.snexplores.org/article/heres-why-scientists-want-a-good-quantum-computer
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Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Acompanha e divulga os conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration), ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
Acesse abaxo, os links das Livrarias>
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