Glossário da Computação Quântica

A
Algoritmo de Grover
Também conhecido como Algoritmo Quântico de Busca, é um algoritmo quântico que encontra com alta probabilidade uma entrada específica em uma lista não estruturada. Para encontrar essa entrada, seria necessário executar uma função na ordem de raíz de N vezes, dado que N é o domínio dessa função. Pode acelerar a solução de problemas NP-completos.
Algoritmo de Shor
Desenvolvido por Peter Shor, este algoritmo consiste na fatoração de um número N utilizando um computador quântico, onde o número a ser fatorado é resultado do produto de dois números primos. Sistemas de criptografia atuais codificam as informações e a chave para decodificá-la é formada por dois números primos. Com a larga vantagem de processamento de um computador quântico, a chave criptográfica poderia ser descoberta e a informação decodificada.
Algoritmos Quânticos
Algoritmos ou procedimentos lógicos que se beneficiam de propriedades da mecânica quântica em sua estrutura para fazer cálculos em computadores quânticos. Sequência de passos lógicos que são implementados em dispositivos que usam qubits para processar informação.
Amplitude de probabilidade
O estado quântico de um sistema pode estar em sobreposição de diversos estados simultaneamente, cada estado possível é associado uma amplitude, um valor complexo cujo módulo ao quadrado indica a probabilidade ou densidade de probabilidade do sistema se encontrar naquele estado após uma medição.
Annealing Quântico
Annealing quântico é uma meta-heurística que usa efeitos quânticos como o tunelamento em seu processo para alcançar o mínimo global da energia do sistema quântico. Esse processo é responsável por fazer as transições adiabáticas do sistema em um Hamiltoniano inicial H_0 para o Hamiltoniano alvo H_T que descreve o problema que se deseja otimizar. O termo é inspirado no processo clássico chamado Annealing Simulado que associa um sistema termodinâmico ao problema de otimização.
B
BQM
Sigla para Binary Quadratic Model, formulação matemática para tratar uma classe de problemas de otimização cuja função objetivo possa ser escrita em termos de variáveis binárias com termos até segunda ordem. Dentro dessa formulação estão os problemas QUBO e problemas do tipo Modelo de Ising.
Bit
Unidade básica de informação usada na computação clássica. Bit é a contração de Binary Digit e representa um estado lógico com dois valores 0 ou 1. Fisicamente os bits são reproduzidos em transistores de dispositivos e seu valor 0 ou 1 representa a passagem de corrente elétrica pelo transistor.
Bra
É parte da Notação Bra-Ket, também conhecida como notação de Dirac, utilizada na Mecânica Quântica para representar estados quânticos. Pode ser visualizado como um vetor linha com componentes complexos, no espaço de Hilbert. O Bra é representado pelo símbolo.
C
Caixeiro Viajante
É um problema de otimização combinatória no qual um caixeiro viajante tem a tarefa de passar por um conjunto de cidades apenas uma vez por cada uma de forma que o caminho percorrido seja o menor possível. Na teoria de complexidades computacionais esse problema se enquadra em NP-Hard, ou seja, seu espaço de soluções cresce de forma não polinomial. Métodos de busca extensiva (força bruta) resolvem o problema em tempo fatorial.
Circuito Quântico
Modelo de computação quântica em que a computação é caracterizada por uma sequência de portas lógicas, assim como na computação clássica. Graficamente os circuitos são representados por linhas paralelas que partem dos qubits de entrada e controle, sobre cada linha operadores unitários e medições, portas lógicas, atua sobre os qubits de forma a fazer operações lógicas sobre o sistema. Circuitos quânticos são diagramas que geralmente costumam ser usados para representar algoritmos quânticos.
Coerência
Fenômeno em sistemas quânticos que ocorre quando há a sobreposição de dois ou mais estados simultâneos. Coerência é um recurso utilizado na computação e informação quântica para implementar tarefas como criptografia e teletransporte.
Computador Quântico
Máquina ou dispositivo capaz de utilizar as propriedades da mecânica quântica para realizar cálculos. Esse dispositivo utiliza o qubit como unidade básica de informação enquanto que computadores clássicos utilizam bits. Teoricamente o computador quântico computa problemas de forma superior aos computadores clássicos devido ao método de explorar os efeitos quânticos para processar informação.
Criptografia Quântica
Suponhamos que Alice quer enviar informações ao seu colega Bob, realizando esta comunicação em um canal quântico, se um invasor tentar interceptá-la a informação será “estragada” e a comunicação deverá ser interrompida. Utilizando um par de fótons emaranhados (um fóton para o emissor e o outro para o receptor) qualquer pessoa que tentar interceptar um dos fótons resultará em alterações no sistema, pois em Mecânica Quântica o ato de medir (ou observar) estados quânticos resulta em alteração no sistema, sinalizando como ruído a presença de algum invasor.
D
DQM
Sigla para Discret Quadratic Model, formulação matemática para tratar problemas de otimização cuja função objetivo pode ser escrita até segunda ordem em suas variáveis, as variáveis assumem um conjunto de valores discretos, diferentemente do BQM no qual as variáveis podem assumir apenas dois valores.
Decoerência
Perda ou destruição da coerência quando um sistema quântico inicialmente isolado interage com o ambiente, perda de informação por efeitos clássicos sobre um sistema quântico.
E
EPR
Sigla para Einstein – Podolsky – Rosen, refere-se ao seu artigo de 1935 em que eles levantam a questão sobre descrição da realidade dada pela mecânica quântica ser completa. EPR refere-se também aos estados de Bell, estados quânticos de dois qubits emaranhados.
Emaranhamento
Também conhecido como entrelaçamento, é um importante fenômeno da mecânica quântica em que o estado de uma partícula de um conjunto não pode ser descrito de forma independente das outras partículas, como se houvesse ligações entre as partículas, medições de uma partícula afetam no estado de outra que estaria entrelaçada com a primeira. Albert Einstein denominou esse efeito como ação fantasmagórica à distância devido a essa disparidade com a física clássica.
Esfera de Bloch
Representação geométrica do espaço de estado puro de um sistema de dois níveis em mecânica quântica, o qubit. Qualquer estado de um qubit pode ser representado com vetores na esfera de Bloch.
F
Função Objetivo
Em otimização combinatória a função objetivo é uma função que representa o problema que se deseja otimizar. Em computação quântica um problema de otimização dado por uma função objetivo pode ser associado a um sistema cujo valor otimizado é aquele que fornece a menor energia para minimização ou maior energia para maximização. Função objetivo também é chamada de Hamiltoniana ou Energia do sistema.
Função de Onda
É uma das descrições do estado quântico de um sistema, ela pertence ao espaço de funções quadraticamente integráveis em particular ao espaço de Hilbert. A função de onda é a solução da equação de Schroedinger. A partir da função de onda é possível calcular diversas propriedades do sistema como amplitude de probabilidades, valores médios de posição e momento de partículas.
Fóton
É a menor unidade de energia eletromagnética, também chamada de quanta de luz. Comporta-se tanto como onda, quanto como partícula. É um bóson que possui spin 1. Não possui massa nem carga elétrica. No vácuo se move a velocidade da luz. Sua energia é diretamente proporcional à sua frequência.
G
Gradiente
É um vetor que indica a direção e a taxa de crescimento de uma função em um dado ponto de seu domínio. Quando aplicado a uma função em todo seu domínio, produz um campo vetorial. Se o seu valor for zero em um dado ponto, sabe-se que este é um ponto de máximo, ou de mínimo, da função.
H
Hadamard (Operador)
Age em um único qubit, criando uma superposição de estados, se aplicado em um estado fundamental. Representa uma rotação de “pi” radianos na esfera de Bloch. Sua representação na forma de uma matriz corresponde a uma matriz involutiva, ou seja, ela é sua própria matriz inversa.
Hamiltoniano
É, na Mecânica Quântica, o operador que corresponde à energia total do sistema. Aplicá-lo à uma Função de Onda produz a Equação de Schrödinger. Para o caso em que a equação é independente do tempo, a operação resulta nos valores de energia do sistema, chamados autovalores.
Hermitiano (Operador)
Também chamado de operador Auto Adjunto, é um operador linear que é adjunto de si mesmo. Se tomados operadores na forma de matrizes, a matriz adjunta é a transposta conjugada da original. No caso de uma matriz Hermitiana, ambas são iguais. Operadores desse tipo são fundamentais na formulação da Mecânica Quântica.
Heurístico (Algoritmo)
É um tipo de algoritmo desenvolvido para solucionar problemas difíceis em menor tempo do que um algoritmo que usa métodos clássicos. Ele abre mão de precisão, exatidão e otimização em troca da velocidade. São utilizados quando soluções aproximadas são o suficiente e as soluções exatas são computacionalmente caras, como por exemplo na solução de problemas NP-completos.
Hilbert (Espaço de)
É uma generalização do espaço euclidiano que não se restringe a um número finito de dimensões. É um espaço vetorial que possui produto interno, permitindo a definição de distância e ortogonalidade. Usado na Mecânica Quântica para definir o espaço complexo no qual os estados possíveis do sistema são representados por vetores unitários.
I
Informação
É resultado do processamento, organização e manipulação de dados. Na Teoria da Informação, o bit é a unidade típica de informação. Ela pode ser transmitida através de dispositivos, como um cartão de memória, ou pela observação direta de um evento. Entretanto, ela não pode ser transmitida mais rapidamente do que a velocidade da luz.
Interferência
É o fenômeno que ocorre quando duas ou mais ondas existem em um mesmo ponto. Nesse caso há uma superposição das amplitudes das ondas, fazendo com que elas aumentem quando as ondas estão em fase (interferência construtiva), ou diminuam quando estão fora de fase (interferência destrutiva).
Ising (Modelo de)
É um modelo matemático utilizado em Mecânica Estatística para descrever o ferromagnetismo. Consiste em variáveis discretas que representam os spins dos átomos de uma estrutura, podendo assumir apenas dois estados, -1 e +1. Nesse modelo os spins estão organizados em uma rede de forma que eles interajam com os spins vizinhos, caso eles sejam de mesmo sinal possuem menor energia do que spins que possuem sinais diferentes.
J
Josephson (Efeito)
É o fenômeno que ocorre quando dois super condutores são posicionados extremamente próximos, com uma fina barreira de isolante entre eles. Esse efeito produz uma corrente que flui continuamente sem que haja uma diferença de potencial aplicada. O nome dado a essa disposição é Junção de Josephson e ela é de extrema importância para a construção de computadores quânticos.
K
ket
É parte da Notação Bra-Ket, também conhecida como notação de Dirac, utilizada na Mecânica Quântica para representar estados quânticos. Pode ser visualizado como um vetor coluna com termos complexos, em espaços de dimensão finita.
L
Linear (Algebra)
É o campo da matemática que estuda sistemas de equações lineares utilizando conceitos fundamentais da matemática como vetores, espaços vetoriais, transformações lineares e matrizes. É de extrema importância para a compreensão, estudo e aplicação da Mecânica Quântica.
Linear (Combinação)
De suma importância para a Álgebra Linear, é uma expressão matemática construída a partir de termos que são multiplicados por uma constante. Na Mecânica Quântica esse conceito é utilizado para descrever um estado quântico qualquer como uma combinação linear dos estados fundamentais daquele sistema.
Luz
É o nome dado à radiação eletromagnética que é percebida pelo olho humano. Geralmente é definida como as ondas cujo comprimento de onda está na faixa entre 400 nanômetros e 700 nanômetros. Como toda radiação eletromagnética, sua menor unidade é o fóton e sua velocidade de propagação no vácuo é uma constante fundamental da natureza denominada velocidade da luz.
M
Magnético (Campo)
É um campo vetorial que descreve a influência magnética em cargas elétricas que estão em movimento e em materiais magnéticos. Eles cercam materiais magnetizados e surgem quando cargas elétricas estão em movimento, como em correntes elétricas por exemplo. No campo da Eletrodinâmica Quântica, a interação do Campo Magnético ocorre através da troca de fótons virtuais.
Matriz
É uma tabela com m linhas e n colunas cujos termos são números pertencentes ao conjunto dos Números Complexos. Se ela possuir apenas uma linha recebe o nome de vetor linha, e se possuir apenas uma coluna, vetor coluna. Caso o número de linhas e colunas seja o mesmo, então a matriz é chamada de matriz quadrada. Esse elemento matemático é de extrema importância para a Álgebra Linear e, consequentemente, para a Mecânica Quântica.
Mecânica Quântica
É o campo da física que descreve as propriedades de sistemas em escala atômica ou subatômica. Segundo ela, algumas características de sistemas fechados só podem assumir valores discretos, como o momento e energia. Quando descrito pela Mecânica Quântica o objeto de estudo apresenta características tanto de ondas, quanto de partículas.
N
NISQ era
Sigla para Noise Intermediate-Scale Quantum era (Era de Escala intermediária de Ruído quântico). Refere-se ao período atual em que os dispositivos quânticos não são avançados suficientes para alcançar uma tolerância de erro nem grandes o suficientes para alcançar uma supremacia quântica. Os dispositivos atuais são sensíveis a ruídos do ambiente e perdem coerência de seu estado quântico facilmente, medidas preventivas tomadas para esse caso é a implementação de algoritmos para a correção de erro, porém essa tarefa necessita de mais qubits do dispositivo.
No-cloning Theorem
Teorema do não-clonagem, uma das propriedades fundamentais da computação quântica, esse teorema afirma que um estado quântico desconhecido não pode ser copiado durante o processamento de um algoritmo num circuito quântico. O processo de cópia é semelhante ao de medição do qubit, o que causaria o colapso da função de onda e a perda do estado quântico no processo.
O
Observável
Em mecânica quântica um observável é uma propriedade ou grandeza física que pode ser determinada através de medições do estado de um sistema de forma direta, no formalismo matemático essas grandezas estão associadas a operadores que atuam sobre o sistema através da equação de autovalor. A equação de Schroedinger independente do tempo é um exemplo, ela associa o operador Hamiltoniano à energia do sistema que é um observável.
Operador
Um operador é um objeto matemático que estabelece uma relação entre dois espaços vetoriais, essa relação é chamada de transformação linear. Na mecânica quântica os operadores têm um papel fundamental no formalismo matemático da teoria, operadores descrevem quantidades físicas como energia, posição, momento, etc. Nos circuitos quânticos as portas lógicas quânticas são operadores lineares.
Otimização
Problemas de otimização caracterizam-se em encontrar a melhor solução dentre todas as possíveis. Existem duas classes de otimização dependendo das variáveis do problema: Otimização discreta quando as variáveis assumem valores discretos como valores inteiros ou permutações de um grafo (conjunto de objetos contáveis) e Otimização contínua quando as variáveis assumem valores contínuos como uma função definida em um intervalo de R (números reais).
P
Porta Quântica
Portas lógicas quânticas são operadores lineares unitários que atuam sobre os qubits nos circuitos quânticos. Existem diversas portas quânticas, nos circuitos quânticos cada uma é representada com seu devido símbolo sobre o segmento de reta do qubit que se deseja fazer alguma operação.
Q
QAOA
Sigla para Quantum Approximate Optimization Algorithm. É um algoritmo quântico utilizado para solucionar problemas voltados à otimização combinatória.
QUBO
Sigla para Quadratic Unconstrained Binary Optimization. É uma formulação matemática para escrever funções objetivas. É definido usando uma matriz diagonal superior Q, no qual é uma matriz triangular NxN com pesos reais e x um vetor com variáveis binárias. Então por exemplo, um problema que tenha uma função objetiva abaixo:

Qi,i são termos lineares localizados na diagonal da matriz e Qi,j são termos quadráticos localizados fora da diagonal da Matriz. Podemos expressar de uma forma mais concisa o nosso problema de otimização como:
qubit
A unidade fundamental de valor em um computador quântico, que pode ser uma superposição de |0> e |1>, ou |0> e |1>, tecnicamente, em contraste com um bit clássico, que é 0 ou 1. Abreviação de quantum bit (bit quântico). Existem quatro tipos principais de qubit no nível do hardware: qubit de carga, qubit de fluxo, qubit de fase e qubit de spin. Um qubit tem uma dimensionalidade de dois, o que significa que seus estados quânticos são modelados por um espaço de Hilbert (espaço vetorial) com duas dimensões e n qubits modelados por um espaço de Hilbert com uma dimensionalidade de dois elevado a n. Alternativamente, no contexto da comunicação quântica e teletransporte quântico, o estado quântico a ser teletransportado. Veja também: qutrit, qudit, qubit estacionário, qubit voador.
qudit
Unidade fundamental de computação quântica em utiliza uma superposição de d estados quânticos, |0>, |1>, |2>, …, |d>. Semelhante aos qubits e qutrits, tais estados são modelados por um Espaço de Hilbert d-dimensional, resultando em um Espaço de Hilbert cuja dimensionalidade é de d^n.
qutrit
Unidade fundamental de computação quântica em utiliza uma superposição de 3 estados quânticos, |0>, |1> e |2>. Semelhante aos qubits, tais estados são modelados por um Espaço de Hilbert tridimensional, resultando em um Espaço de Hilbert cuja n dimensionalidade é de 3 .
R
Reversibilidade de Portas Lógicas
As portas quânticas são ditas reversíveis pois as operações que alteram o estado inicial dos qubits para o estado final em teoria são ações que podem ser invertidas. Em princípio a informação não é perdida na computação quântica, os qubits que estão emaranhados quando sofrem a ação de uma porta quântica permanecem emaranhados e mantém a informação armazenada em segurança durante a transição.
Ruído Quântico
Na mecânica quântica o conceito de ruído refere-se a incerteza de quantidades físicas devido a sua origem quântica, também pode ser referido como flutuações quânticas. São perturbações aleatórias na energia do sistema que ocorrem em um ponto do espaço.
S
Semicondutor
Material com condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Condutores têm a capacidade de conduzir portadores de cargas (corrente elétrica) e isolantes não, já os semicondutores possuem propriedades elétricas entre esses dois tipos de materiais. Devido a suas propriedades de condução eles são essenciais na indústria tecnológica para a fabricação de componentes eletrônicos como transistores e diodos. Geralmente os semicondutores podem ser fabricados a partir do Silício ou Germânio.
Supercondutor
Materiais capazes de conduzir eletricidade sem oferecer resistência ao atingirem uma temperatura muito baixa. A supercondutividade é caracterizada pelo efeito Meissner em que as linhas de campo magnético dentro do material são nulas, os supercondutores podem ser utilizados na levitação magnética.
Superposição
Uma das propriedades fundamentais da mecânica quântica que permite que um sistema físico possa existir parcialmente em todos os estados possíveis simultaneamente, quando o sistema é medido diz-se que o estado quântico colapsa para um dos estados possíveis ou para o mais provável e o sistema se mostra em um estado único.
T
Teletransporte
É uma técnica para transferência de informação quântica de um emissor a um receptor. Devido ao no-cloning theorem um estado quântico desconhecido não pode ser copiado por isso o emissor da informação não pode simplesmente gerar uma cópia de um estado e enviar para o receptor. O método então usa um canal com dois bits clássicos e um qubit emaranhado de forma que o emissor possa enviar seu estado para o receptor, no fim o receptor terá um estado enquanto que o emissor não terá.
Teorema do Adiabático
Esse teorema afirma que um sistema físico irá permanecer em seu autoestado ao longo de uma evolução temporal caso a perturbação nele aplicada seja pequena o suficiente. Ou seja, a evolução do sistema é feita lenta o suficiente para que não adquira energia e altere seu estado. Esse teorema foi proposto inicialmente por Max Born e Vladimir Fock em 1928 e é fundamental para a computação quântica adiabática.
Tunelamento
É um fenômeno da mecânica quântica em que uma partícula pode escapar de regiões cercadas por uma barreira potencial mesmo se sua energia for menor que a energia potencial da barreira. Em outras palavras, a função de onda da partícula pode se propagar através da barreira potencial.
U
Ultravioleta (Radiação)
É o nome dado à radiação eletromagnética cujo comprimento de onda varia de 10 a 400 nanômetros. Sendo seu comprimento de onda menor do que o da luz visível, e maior do que os raios-X. Essa radiação pode causar reações químicas e até danificar o DNA, caso a onda possua comprimento de onda pequeno o suficiente.
Unidade de Medida
É definida como a magnitude de uma quantidade, definida por convenção ou lei, utilizada para descrever dimensões. Qualquer quantidade do mesmo tipo pode ser definido como um múltiplo de sua unidade de medida. O comprimento é uma quantidade física e o metro a unidade de comprimento, podendo qualquer tipo de unidade de comprimento ser escrita como um múltiplo do metro, como por exemplo, pés, jardas e milhas. Geralmente, nas ciências são utilizadas as unidades de medida definidas pelo Sistema Internacional de Unidades, criado em 1960.
V
VQE
Do inglês Variational Quantum Eigensolver, é um algoritmo quântico variacional utilizado para encontrar autovalores e autovetores. Ele recebe como input o Hamiltoniano de um sistema molecular e através de uma minimização iterativa, chega no estado fundamental desse sistema.
Variável
É na matemática um símbolo ou letra que representa uma expressão ou um número arbitrário desconhecido ou não especificado.
Vetor
É na matemática um objeto geométrico que possui magnitude (tamanho) e direção. Geralmente é representado graficamente por uma seta que conecta o ponto inicial ao ponto final do vetor. Diversas quantidades físicas são representadas por vetores, como forças, velocidade, aceleração, movimento, entre outras. Na mecânica quântica é utilizado para representar o estado de um sistema físico.
Vetorial (Espaço)
É um conjunto de vetores que podem ser somados uns aos outros e multiplicados por números, chamados escalares. São o objeto de estudo da Álgebra Linear e são caracterizados pela sua dimensão, que especifica o número de direções independentes no espaço. O Espaço de Hilbert é um exemplo de Espaço vetorial, e ele é fundamental na Mecânica Quântica pois seus vetores representam estados de um sistema quântico.
Voltagem
Também conhecida como Tensão Elétrica, ou Diferença de Potencial, é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Sua unidade de medida é o volt. Essa diferença pode surgir em decorrência de acúmulo de cargas elétricas ou de uma força eletromotriz, como indutores dentro de um gerador ou transformador.
W
W (Estado)
É um estado quântico entrelaçado de três ou mais qubits no qual apenas um deles se encontra no estado excitado e todos os outros no estado fundamental. Caso um sistema que se encontra nesse estado perca um qubit, os qubits restantes continuam entrelaçados, desde que haja pelo menos dois.
X
X (Porta)
Uma das portas lógicas de Pauli, age em um único qubit e realiza uma rotação de pi radianos em torno do eixo x na esfera de Bloch. É equivalente à porta lógica NOT da computação clássica, também conhecida como bit-flip.
Y
Y (Porta)
Uma das portas lógicas de Pauli, age em um único qubit e realiza uma rotação de pi radianos em torno do eixo y na esfera de Bloch.
Z
Z (Porta)
Uma das portas lógicas de Pauli, age em um único qubit e realiza uma rotação de pi radianos em torno do eixo z na esfera de Bloch. Também conhecida como phase-flip.

Referência: Quantum Computing Glossary — Introduction | by Jack Krupansky | Medium