Gustavo Linhares

Gustavo Linhares

Tipos de Computadores Quânticos

Computadores Quânticos

Um computador (Clássico) é uma máquina capaz de realizar diversos cálculos úteis em nosso dia-a-dia seguindo uma “receita” que chamamos de algoritmos, sua unidade de informação fundamental, os 0’s e 1’s, é conhecida como bit. Os bits são controlados por componentes eletrônicos chamados transistores que regulam a passagem de corrente elétrica nos circuitos dos computadores, se não passa corrente é atribuído o valor 0 para o bit, se passar corrente então é atribuído 1. De forma semelhante os computadores quânticos são máquinas que também são capazes de realizar muitos cálculos via conjunto de algoritmos, todavia a unidade básica de informação desse dispositivo é governada pela Mecânica Quântica, estes são os chamados quantum bits ou qubits. Enquanto que os bits da computação clássica podem ter apenas dois valores (ou estados), os qubits podem estar em 0 ou 1 ou até em uma combinação desses dois estados ao mesmo tempo, a isso chamamos de superposição (um dos princípios fundamentais na mecânica quântica), isto é, um estado pode ter uma infinidade de valores com certa probabilidade até que o mesmo seja medido. Os algoritmos dos computadores quânticos se aproveitam da superposição para fazer cálculos muito mais velozes que os da computação clássica.

 

Como os qubits seguem as leis da Mecânica Quântica, existem algumas formas de reproduzir essas unidades de informação. No entanto simular sistemas quânticos não é tão fácil de fazer, dessa forma os computadores quânticos existentes possuem certas limitações, como por exemplo, a influência do ambiente no sistema que introduz erros, limitações como essa restringem o número de qubits disponíveis por dispositivo.

Atualmente existem três tipos de computadores quânticos cujas diferenças estão no poder computacional, abrangência de problemas que podem executar e dificuldade em sua construção. Eles são os Computadores Quânticos Adiabáticos também conhecidos como quantum annealers, Computadores Quânticos Analógicos e os Computadores Quânticos Universais.

Computador Quântico Adiabático

É o mais fácil de construir, porém sua capacidade computacional é bastante restritiva em certas operações, no atual estado-da-arte esses computadores são capazes de se sobressair em relação aos computadores clássicos apenas em resoluções de problemas que envolvem fatoração de números grandes e problemas de optimização como analisar rotas de veículos para aplicativos de mapeamento ou optimização de portfólio. Esse tipo de computador tem sido desenvolvido com sucesso pela empresa canadense D-Wave, cujo hardware mais recente disponível comercialmente, o Advantage,  foi lançado em 2020 e possui cerca de 5000 qubits.

D-Wave Advantage

Na computação quântica adiabática, cada processamento de algum algoritmo faz com que o sistema quântico que reproduz os qubits passe por um processo chamado annealing quântico, na tradução literal recozimento, que evolui o estado do sistema de uma configuração inicial (inputs, ou especificações do problema desejado) para um estado final (output, resolução do problema), sempre almejando o estado com menor energia.

A D-Wave como pioneira da computação quântica adiabática ainda está no inicio do desenvolvimento do quantum annealer, e com o tempo talvez seja possível fornecer mais qubits, mais desempenho. No entanto acredita-se que computadores com base analógica e especialmente os computadores universais sejam o futuro da computação quântica.

Computador Quântico Analógico e Digital

Computadores quânticos analógicos e digitais é onde as principais empresas do ramo estão atuando já que esse tipo de computador promete ser o mais rápido que o convencional. Entre as principais empresas que estão construindo esse tipo de tecnologia estão o Google, Microsoft, IBM, Rigetti e IonQ,. Essa modelo de computador é mais difícil de fabricar que os quantum annealers, porém promete resolver problemas muito complexos em simulações como química quântica ou ciência de materiais, além de problemas de optimização e cripitografia.

Os protótipos existentes para esse tipo de computador são baseados em diferentes tecnologias de qubits como por exemplo supercondutores ou aprisionamentos de íons, além disso seus algoritmos são feitos por uma sequência de portas quânticas, o que torna esse modelo de computador a preparação para o terreno dos computadores quânticos universais. Todavia para  conseguir construir computadores quânticos universais é necessário resolver os problemas como decoerência que acabam interferindo na performance dos cálculos.

Em comparação com o computador adiabático da D-Wave que possui 5000 qubits, os computadores analógicos conseguem reproduzir apenas algumas dezenas de qubits e são capazes de executar centenas de operações quânticas coerentes.

Computador Quântico Universal

Esse é o grande desafio da computação quântica, é o mais complexo de construir, porém é o mais poderoso. Esse modelo de computador foi o primeiro a ser imaginado desde as ideias iniciais da computação quântica, muitos algoritmos foram desenvolvidos tendo em mente sua forma de processamento via portas quânticas, os mais conhecidos são o algoritmo de fatoração de Shor e o algoritmo de busca de Grover. As portas quânticas são os mecanismos responsáveis por manipular os qubits para realizar os algoritmos, elas são análogas às portas lógicas utilizadas em computadores clássicos.

Estimativas, segundo a IBM, indicam que essa máquina terá mais de 100.000 qubits físicos, tendo o potencial de ser exponencialmente mais rápido que os computadores clássicos em diversos tipos de problemas interessantes na ciência ou do mercado. A principal empresa que vem trabalhando para desenvolver esse tipo de computador é a própria IBM, que está projetando um chip para esse tipo de computador e tem como objetivo construir uma máquina com até 1000 qubits até 2023, os modelos atuais se enquadram em computadores quânticos analógicos e digitais e possui apenas algumas dezenas de qubits, o atual da IBM possui 63 qubits .

 

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