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Conhecimentos e Dados Probabilísticos Quanticamente | IBM-Q

Você já deve ter ouvido falar de física quântica. Mas, a questão aqui é saber o quanto você sabe sobre a Computação Quântica e a funcionalidade dessa TecnoMagia?

Apesar de nos dar a mais espetacular onda de inovação tecnológica na história da humanidade, há certos problemas computacionais que a revolução digital ainda não consegue resolver. Alguns desses problemas poderiam estar atrasando avanços científicos importantes e/ou a economia global. Embora os computadores convencionais venham dobrando em potência e velocidade de processamento ano após ano, eles ainda não parecem estar mais próximos de resolver problemas complexos. Quer saber porque? Pergunte a qualquer cientista da computação e eles provavelmente darão a mesma resposta: os computadores convencionais atuais são construídos em um modelo clássico e muito limitado de computação. A longo prazo, para resolver com eficiência os problemas de computação mais persistentes do mundo, teremos que nos voltar para uma tecnologia totalmente nova e mais capaz: o computador quântico.

Em última análise, a diferença entre um computador clássico e um computador quântico não é como a diferença entre um carro antigo e um novo. Pelo contrário, é como a diferença entre um cavalo e um falcão. Aqui vamos dar uma boa olhada nisso e vamos mergulhar profundamente no que torna os computadores quânticos únicos.

https://www.youtube.com/watch?v=OWJCfOvochA

Os limites da computação clássica:

Lei de Moore

Por várias décadas, a velocidade e o poder computacional dos computadores convencionais têm dobrado a cada dois anos (e, em alguns casos, apenas dezoito meses). Isso é conhecido como a lei de Moore. Embora o ritmo vertiginoso de progresso possa ter começado a desacelerar um pouco, ainda é mais ou menos verdade que o supercomputador que hoje ocupa o quarto é o laptop econômico de amanhã. Portanto, a esse ritmo, parece razoável supor que não há tarefa computacional que um computador convencional possa eventualmente resolver no futuro previsível. No entanto, a menos que estejamos falando de trilhões de ano, isso simplesmente não é uma suposição segura quando se trata de certas tarefas difíceis.

O calcanhar de Aquiles do computador convencional

O fato é que uma tarefa computacional, como por exemplo encontrar rapidamente os fatores primos para números inteiros muito grandes, provavelmente está fora do alcance dos computadores convencionais mais rápidos do futuro. A razão por trás disso é que encontrar os fatores primos de um número é uma função que tem crescimento exponencial.

Introdução rápida ao crescimento exponencial

Algumas coisas crescem a uma taxa consistente e algumas coisas crescem mais rapidamente à medida que cresce o número de “coisas”. Quando o crescimento se torna mais rápido (não constante) em relação ao número total crescente, então é exponencial.

O crescimento exponencial é extremamente poderoso. Uma das características mais importantes do crescimento exponencial é que, embora comece lentamente, pode resultar em quantidades enormes rapidamente — muitas vezes de uma forma chocante.

Essa definição pode ser um pouco difícil de entender sem um exemplo, então vamos mergulhar em uma história rápida.

Há uma lenda em que um homem sábio, a quem foi prometido um prêmio por um rei, pede ao governante para recompensá-lo colocando um grão de arroz no primeiro quadrado de um tabuleiro de xadrez, dois grãos no segundo quadrado, quatro grãos no terceiro e assim por diante. Cada quadrado deveria ter o dobro do número de grãos como o quadrado anterior. O rei concedeu seu pedido, mas logo percebeu que o arroz necessário para encher o tabuleiro de xadrez era mais do que existia em todo o reino e lhe custaria todos os seus bens.

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O número de grãos em qualquer quadrado reflete a seguinte regra ou fórmula:

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Nesta fórmula, k é o número do quadrado e N é o número de grãos de arroz naquele quadrado.

Se k = 1 (o primeiro quadrado), então N = 2⁰, que é igual a 1.

Se k = 5 (o quinto quadrado), então N =2⁴, que é igual a 16.

Este é um crescimento exponencial porque o expoente, ou poder, aumenta à medida que passamos de quadrado para quadrado.


Funções exponenciais reais têm consequências reais

Hora de passar para problemas exponenciais do mundo real.

Pegue o número 51. Veja quanto tempo você leva para encontrar os dois números primos únicos que você pode multiplicar para gerá-lo. Se você estiver familiarizado com esses tipos de problemas, provavelmente levará apenas alguns segundos para descobrir que 3 e 17, ambos primos, geram 51. Como se vê, esse processo aparentemente simples está no cerne da economia digital e é a base para nossos tipos mais seguros de criptografia. A razão pela qual usamos essa técnica na criptografia é porque, à medida que os números usados na fatoração primária se tornam maiores e maiores, torna-se cada vez mais difícil para os computadores convencionais incorporá-los. Uma vez que você alcança um certo número de dígitos, você descobrirá que levaria até mesmo os meses mais rápidos do computador convencional, anos, séculos, milênios, ou mesmo incontáveis eras para fatorar isto.

Assim, mesmo que os computadores continuem a dobrar em poder de processamento a cada dois anos no futuro (e não apostem nisso), eles sempre lutarão com a fatoração principal. Outros problemas igualmente obstinados no cerne da ciência moderna e da matemática incluem certos problemas de modelagem molecular e otimização matemática que prometem derrubar qualquer supercomputador que ouse chegar perto deles.

Abaixo está uma grande ilustração da IBM Research que mostra a molécula mais complexa (cluster F) que podemos simular em nosso super computador mais poderoso do mundo. Como você pode ver (na parte inferior esquerda da imagem), a molécula não é muito complexa, e se quisermos modelar moléculas mais complexas para descobrir melhores tratamentos e entender nossa biologia, precisaremos de uma abordagem diferente.

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Molecular Simulation Problem. Source: IBM Research

O computador quântico

Os computadores convencionais dependem exclusivamente dos princípios e propriedades da computação clássica. Os computadores quânticos, por outro lado, são estritamente quânticos. Conseqüentemente, eles confiam em princípios e propriedades quânticos — o mais importante, superposição e emaranhamento — que fazem toda a diferença em sua capacidade quase milagrosa de resolver problemas aparentemente intransponíveis.

Sobreposição

Para entender a noção de superposição, vamos considerar o sistema mais simples possível: um sistema de dois estados. Um sistema de dois estados comum é como um interruptor On / Off que está sempre em um estado (On) ou outro (Off). No entanto, um sistema quântico de dois estados é algo completamente diferente. É claro que, sempre que você medir seu estado, você descobrirá que ele está de fato ligado ou desligado, assim como um sistema clássico. Mas entre as medições, um sistema quântico pode estar em uma superposição de estados on e off ao mesmo tempo, não importa quão contraintuitivo isso possa parecer para nós.

Outro famoso exemplo de sobreposição é a do Gato de Schrödinger que pode ser explorada no vídeo a seguir:

https://www.youtube.com/watch?v=z1GCnycbMeA

De modo geral, os físicos afirmam que é inútil falar sobre o estado de um sistema quântico, como seu giro, antes da medição. Alguns até argumentam que o próprio ato de medir um sistema quântico faz com que ele desmorone de um estado obscuro de incerteza para o valor (On ou Off, Up ou Down) que você mede. Embora provavelmente impossível de visualizar, não há como escapar do fato de que esse fenômeno misterioso não é apenas real, mas dá origem a uma nova dimensão de poder de solução de problemas que abre o caminho para o computador quântico. Mantenha a ideia de superposição em mente. Voltaremos a como isso é usado na computação quântica em um pouco.

A superposição é possível. Se você quer entender melhor o que dá origem à superposição, então primeiro você precisa ler sobre a ideia da Dualidade Onda / Partícula.

Entrelaçamento

Hora de ir para a próxima propriedade da mecânica quântica que precisamos alavancar para criar um computador quântico.

Sabe-se que, uma vez que dois sistemas quânticos interagem um com o outro, eles se tornam parceiros irremediavelmente entrelaçados. A partir de então, o estado de um sistema lhe dará informações precisas sobre o estado do outro sistema, não importando o quanto os dois estejam interligados entre si. Os dois sistemas podem estar separados por anos-luz e ainda fornecer informações precisas e instantâneas um sobre o outro. Vamos ilustrar isso com um exemplo concreto, já que isso causou até mesmo um reboliço na cabeça de Einstein (Einstein notoriamente se referiu a esse fenômeno como “Ação assustadora à distância”).

Suponha que você tenha dois elétrons, A e B. Depois de fazer com que eles interajam, seus spins opostos serão automaticamente entrelaçados. Daí em diante, se o giro de A for para cima, o giro de B será para baixo, como duas crianças em uma gangorra, exceto que isso vale até para você levar A e B para extremos opostos da Terra (ou da galáxia). Apesar dos milhares de quilômetros (ou anos-luz) entre eles, está provado que, se A girar para cima, saberá imediatamente que o giro de B é para baixo. Já aprendemos que esses sistemas não têm valores precisos/únicos, mas que existem em uma superposição obscura. Se assim for, temos ainda outro problema em nossas mãos, porque Einstein nos ensinou que nenhuma influência causal, como um sinal luminoso, entre dois sistemas pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Então, o que dá? Tudo dito, eu honestamente não sei. Tudo o que sabemos é que o entrelaçamento quântico é real e que você pode aproveitá-lo para fazer maravilhas.

Mais uma vez o Gato de Schrödinger pode nos ajudar a entender esse conceito.

Um Bit Quântico (qubit) e o seu uso

O qubit desempenha o mesmo papel na computação quântica que o bit na computação clássica: é a unidade fundamental de informação. Embora ambos os bits e qubits gerem um dos dois estados (0 ou 1) como o resultado de um cálculo, um qubit pode estar simultaneamente nos estados 0 e 1 antes desse resultado, ou seja, superposição quântica. Qubits são sistemas quânticos por excelência.

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http://qoqms.phys.strath.ac.uk/research_qc.html

Assim como os computadores convencionais são construídos bit a bit com os transistores On ou Off, computadores quânticos são construídos qubit por qubit com elétrons em estados de spin que são Up ou Down (uma vez medidos, é claro). E assim como os transistores nos estados On / Off são agrupados para formar as portas lógicas que executam cálculos clássicos em computadores digitais, os elétrons nos estados de rotação Up / Down são agrupados para formar as portas quânticas que realizam cálculos quânticos em computadores quânticos. No entanto é muito mais fácil dizer do que fazer.

Essa propriedade é chamada de manipulação de qubits. Nossas portas lógicas regulares de computação obtêm um conjunto de entradas e nos dão uma única saída. Um “portão quântico” recebe uma entrada de qubits super-posicionados, rotaciona probabilidades e gera uma nova superposição. Nesse ponto, os qubits podem ser medidos e obtemos os 0s e os 1s que representam os dados de que precisamos. A chave aqui é que TODAS as possíveis respostas são geradas ao mesmo tempo, não apenas a única saída em uma porta lógica tradicional. A resposta que recebemos provavelmente está correta, mas há uma pequena chance de que não seja. No entanto, como TODAS as possibilidades já foram criadas, é rápido o trabalho para percorrer o resto até obtermos o caminho certo.

Então, embora isso não seja exatamente uma coisa perfeita, o que realmente torna a computação quântica superespecial, além do quanto podemos armazenar com ela, é o quão rápido e eficiente ela é. Uma ótima aplicação disso é bancos de dados. Agora podemos armazenar uma quantidade impressionante de dados e também pesquisá-los muito mais rapidamente do que com a computação tradicional.

As simulações também se beneficiam muito quando se usa computação quântica. O enorme número de cálculos e probabilidades pode ser gerado à taxas incríveis. Essas simulações quânticas nos beneficiarão em pesquisas sobre clima, genética, doenças, física quântica (é claro!) E, em geral, qualquer coisa que requeira quantidades massivas de processamento de números.

  • Engenharia Química e Modelagem Molecular
  • Factoring e criptografia
  • Melhoria na análise de novas descobertas espaciais e dados do SETI
  • Evolução da inteligência artificial e mecânica
  • Engenharia Civil e Urbanismo
  • Reconhecimento facial e de padrões nos esforços de contraterrorismo
  • Modelagem partículas
  • Engenharia e mapeamento genético

Um resultado “ruim” é que, como a computação quântica é extremamente rápida, quebrar a segurança com ela pode ser uma brisa em comparação com as tentativas de força bruta usando um computador tradicional.

Um novo paradigma tem que ser realizado para que nosso progresso continue, e a computação quântica é isso. Provavelmente não veremos computadores quânticos em residências tão cedo, mas eles estão sendo usados para aplicações científicas e de pesquisa em larga escala.

A Era da Informação tem sido um período extremamente próspero para o nosso mundo: o poder da computação levou a avanços surpreendentes em quase todos os campos do esforço humano, ao mesmo tempo que contribuiu grandemente para elevar a qualidade de vida da maioria das pessoas. Agora geramos mais novos dados e conhecimento a cada ano do que registramos em toda a história da humanidade anterior. Mas à medida que avançamos cada vez mais no poder dessas mentes artificiais, estamos jogando com uma ferramenta ainda mais poderosa e perigosa do que até o poder atômico.

A computação quântica removerá qualquer limite concebível que uma IA possa ter entre uma singularidade. A computação quântica nas mãos erradas pode levar a adulterações genéticas que podem produzir supersoldados ou super doenças.

Precisamos continuar avançando a todo vapor na pesquisa, para que possamos entender esses perigos enquanto nos beneficiamos das vantagens da computação quântica.

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Onde estamos hoje

Enquanto a Intel está ocupada produzindo chips convencionais com bilhões de transistores, os principais cientistas experimentais do mundo ainda estão lutando para construir um “chip” de computador quântico com mais de um punhado de qubits. Só para dar uma ideia de quão cedo estamos na história da computação quântica, foi um grande negócio quando recentemente a IBM revelou o maior computador quântico do mundo com uma espantosa… espere… 50 qubits. No entanto, é um começo, e se qualquer coisa como a lei de Moore se aplica a computadores quânticos, devemos chegar às centenas em alguns anos, e aos milhares em alguns outros. Um Bilhão? Eu não iria prender a respiração, mas, novamente, você não precisa de um bilhão de qubits para superar as luzes do dia de um computador convencional em algumas categorias principais, como categorização principal, modelagem molecular e uma série de problemas de otimização que não convencionais. computador pode tocar hoje.

Os computadores quânticos de 2020

De qualquer forma, a partir de agora, quase todo computador quântico é um projeto multi-milionário que você geralmente encontra em departamentos de P&D em grandes empresas de TI, como o Google, IBM e LockHeed Martin ou na ala de física experimental de grandes universidades de pesquisa, como o MIT. Eles precisam ser super-resfriados para uma temperatura que é mais fria que o espaço intergaláctico, e os experimentadores precisam usar microondas de uma freqüência precisa para se comunicar com cada qubit no computador individualmente. Facilmente podemos dizer que hoje isso não é escalável assim como os tubos de vácuo dos primeiros computadores convencionais, então não vamos julgar essa primeira geração com muita severidade.

Roadblocks aguardando avanços

A principal razão pela qual os computadores quânticos ainda não se tornaram mainstream é que as melhores mentes e inventores do mundo ainda estão lutando com altas taxas de erro e baixo número de qubits. À medida que abordamos esses dois problemas juntos, aumentaremos rapidamente o que a IBM chama de “volume quântico” de cada computador, uma maneira de visualizar a enorme quantidade de cálculos úteis que um computador quântico pode realizar.

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Em suma, para que a computação quântica decole e Macbooks quânticos comecem a habitar prateleiras, precisamos de muito mais qubits e muito menos erros. Isso vai levar tempo, mas pelo menos sabemos o que estamos almejando e o que estamos enfrentando.

Mitos vs explicações

Embora saibamos que os computadores quânticos podem facilmente fazer coisas que nenhum computador convencional pode sonhar em fazer, realmente não sabemos como eles fazem isso. Se isso soa surpreendente, dado que a primeira geração de computadores quânticos já existe, tenha em mente a palavra quantum. Estamos usando a mecânica quântica para resolver problemas há um século e ainda não sabemos como isso funciona. A computação quântica, como membro da família quântica, está no mesmo barco. Michael Nielsen (que escreveu O livro sobre o assunto), argumentou convincentemente que qualquer explicação da computação quântica está destinada a errar o alvo. Afinal, de acordo com Nielsen, se houvesse uma explicação direta de como funciona um computador quântico (isto é, algo que você pudesse visualizar), ele poderia ser simulado em um computador convencional. Mas se pudesse ser simulado em um computador convencional, então não poderia ser um modelo preciso de um computador quântico, porque um computador quântico, por definição, faz o que nenhum computador convencional pode fazer.

De acordo com Nielsen, o mito mais popular que pretende explicar a computação quântica é chamado de paralelismo quântico. Porque você vai ouvir muito a história do paralelismo quântico, vamos olhar por um momento. A ideia básica por trás do paralelismo quântico é que os computadores quânticos, ao contrário de suas contrapartes convencionais, exploram o espectro total de possíveis soluções / resultados computacionais simultaneamente (ou seja, em uma única operação), enquanto os computadores digitais devem avançar, analisando cada solução em seqüência. De acordo com a Nielsen, essa parte da história do paralelismo quântico está quase certa. No entanto, ele critica duramente o restante da história, que prossegue dizendo que depois de pesquisar todo o espectro de soluções, os computadores quânticos escolhem o melhor. Agora, segundo a Nielsen, é um mito. A verdade, ele insiste, é que os computadores quânticos, como todos os sistemas quânticos, estão realmente fazendo nos bastidores estão completamente fora de nosso alcance. Vemos a entrada e a saída, e o que acontece entre está selado em mistério.


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