Computadores quânticos explicados

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Acompanhe no vídeo a seguir, a explicação sobre Computadores Quânticos do canal In a Nutshell – Kurzgesagt.

Entenda como funciona um computador quântico e os limites da tecnologia.



A transcrição das legendas em português segue abaixo.



[Narrador]: Durante a maior parte de nossa história a tecnologia humana consistia em nossos cérebros, fogo, e "palitos afiados".


Enquanto fogo e "palitos afiados" se tornaram usinas de energia e armas nucleares a maior melhoria ocorreu em nossos cérebros.


Desde os anos 60, o poder de nossas máquinas cerebrais cresceu exponencialmente, permitindo que computadores ficassem ao mesmo tempo menores e mais poderosos.

Mas este processo está quase atingindo seus limites físicos.

As peças de computador estão se aproximando do tamanho de um átomo.

Para entender porque isto é um problema, nós temos que esclarecer algumas coisas básicas.

Em uma casca de noz, por Kurz Gesagt.

Um computador é feito por componentes muito simples, fazendo tarefas muito simples.

Representando dados, os meios de processá-los, e mecanismos de controle.

Chips de computadores contém módulos, que contém portas lógicas, que contém transistores.

Um transistor é a forma mais simples de processamento de dados em computadores, basicamente um interruptor que pode abrir ou fechar o caminho para uma informação passar.

Essa informação é feita de bits, que podem configurados para ser "0" ou "1".

Combinações de muitos bits são usadas para representar informações mais complexas, transistores são combinados para criar portas lógicas, que ainda fazem coisas muito simples.

Por exemplo, uma porta "E" que gera uma saída "1" caso as duas entradas sejam "1. Ou "0" caso contrário.

Combinações de portas lógicas são criadas para tarefas mais significativas, como por exemplo somar dois números.

Uma vez que você soma, você pode também multiplicar, e uma vez que você pode multiplicar, você pode basicamente fazer qualquer coisa.

Uma vez que todas as operações básicas são literalmente mais simples do que matemática da primeira série, você pode imaginar um computador como um grupo de crianças de 7 anos, respondendo questões básicas de matemática.

Um número enorme delas pode computar qualquer coisa, de astrofísica à Zelda.

Entretanto, com as peças ficando menores e menores, a física quântica está deixando as coisas mais estranhas.

Um transistor é somente um interruptor elétrico.

Eletricidade são elétrons se movendo de um lugar para outro. Então interruptores são passagens que podem bloquear elétrons de se moverem em uma direção.

Hoje, uma escala normal para transistores são 14 nanômetros. O que é 8 vezes menor do que o diâmetro do vírus do HIV e 500 vezes menor do que um glóbulo vermelho.

Como transistores foram encolhidos para o tamanho de apenas alguns átomos, elétrons podem simplesmente se transferir para o outro lado de um bloqueio por um processo chamado de tunelamento quântico.

No reino quântico, a física funciona um pouco diferente dos meios previsíveis aos quais estamos acostumado. E computadores tradicionais simplesmente não fazem sentido.

Nós estamos chegando a uma barreira física real para o nosso avanço tecnológico.

Para resolver este problema, cientistas tentam tirar vantagem destas propriedades incomuns da física quântica, construindo computadores quânticos.

Em computadores normais, bits são a menor unidade de informação.

Computadores quânticos usam qubits, que também podem ser configurados para um de dois valores possíveis.

Um qubit pode ser qualquer sistema quântico de dois níveis desde o spin e o campo mágnético ou um simples fóton.

"0" e "1", e outros estados possíveis do sistema, podem ser a polarização vertical ou horizontal do fóton.

No mundo quântico, o qubit não precisa estar em somente um destes estados, ele pode estar em qualquer proporção dos dois estados ao mesmo tempo. Isto é chamado sobreposição.

Mas tão logo você testa este valor, passando o fóton por um filtro, por exemplo, ele tem que decidir se está verticalmente ou horizontalmente polarizado.

Então, enquanto não foi observado, o qubit é a sobreposição das probabilidades para "0" e "1.

E você pode prever qual será. Mas no instante que você mede ele colapsa para um dos estados definidos.

Sobreposição é uma verdadeira mudança.

4 bits clássicos podem estar cada um em uma de duas possíveis configurações distintas ao mesmo tempo.

Isto são 16 possíveis combinações, e você pode usar apenas uma.

4 qubits em sobreposição, entretanto, podem estar em todas essas 16 ao mesmo tempo.

Este número cresce exponencialmente com cada qubit extra.

Somente 20 deles já podem armazenar um milhão de valores em paralelo.

Uma propriedade realmente estranha e interessante que os qubits podem ter é o emaranhamento.

Uma conexão que pode fazer cada um dos qubits reagir a uma mudança de estado em outro de maneira instantânea, não importando qual longe eles estejam.

Isto significa que quando medimos um qubit emaranhado, você pode diretamente deduzir as propriedades de seu parceiro sem precisar olhar.

A manipulação de qubit é outra coisa que frita neurônios.

Uma porta lógica normal recebe um conjunto simples de entrada e produz uma saída definida.

Uma porta quântica manipula as sobreposições das entrada, rotaciona probabilidade, e produz uma outra sobreposição como saída.

Então um computador quântico têm alguns qubits, aplica portas quânticas para emaranhar eles e manipular probabilidade. E finalmente mede os resultado colapsando sobreposições para sequências de "0" e "1".

O que isso significa é que você possui todos os cálculos que são possíveis com a sua configuração, todos feitos ao mesmo tempo.

Finalmente, você só pode medir um dos resultados e provavelmente não vai ser aquele que você queria.

Então você precisa fazer uma verificação e tentar de novo.

Mas, como explicado, sobreposição e emaranhamento podem ser exponencialmente mais eficiente do que jamais seria possível em um computador normal.

Então, enquanto computadores quânticos provavelmente não irão substituir nossos computadores doméstico em algumas áreas eles são imensamente superiores.

Uma delas é busca de dados. Para achar algo em uma base de dados, um computador normal pode precisar testar cada uma de suas entradas de dados.

Algoritmos quânticos precisam somente da raiz quadrada deste tempo que para bases de dados grandes é uma diferença enorme.

O uso mais famoso de computadores quânticos é segurança em TI. 

Neste momento, os dados de seu navegador, e-mail e banco está sendo mantidos seguro por um sistema de criptografia no qual você distribui para todos uma chave pública para que eles possam cifrar mensagem que somente você pode decifrar.

O problema é que esta chave pública pode ser utilizada para calcular sua chave privada secreta.

Por sorte, fazer a matemática necessária para isto em qualquer computador normal literalmente levaria anos de tentativa e erro.

Mas um computador quântico com aceleração exponencial poderia fazer isso facilmente.

Outro empolgante novo uso é para fazer simulações.

Simulações do mundo quânticas necessitam de recursos muito intenso e mesmo para estruturar maiores como moléculas elas geralmente não possuem precisão.

Então porque não simular física quântica, utilizando de fato física quântica.

Simulações quânticas podem prover novos conhecimentos em proteínas, que podem revolucionar a medicina.

No momento nós não sabemos se computadores quânticos serão ferramentas especializada.

ou uma grande evolução para a humanidade.

Nós não temos ideia de quais são os limites tecnológicos, e só existe uma maneira de descobrirmos.

Este vídeo recebeu o apoio da Academia de Ciências da Austráli.

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Fonte:
[Visto no Brasil Acadêmico]

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