Como funcionarão os computadores quânticos
Autor: Prof. Eduardo | Publicado: 2009-10-13T11:26:00-03:00

IntroduçãoA enorme capacidade de processamento criada pelos fabricantes de computador ainda não foi capaz de saciar nosso ávido desejo por velocidade. Em 1947, o engenheiro da computação Howard Aiken disse que bastariam seis computadores digitais eletrônicos para satisfazer as necessidades dos Estados Unidos. Outros fizeram previsões igualmente desastrosas de quanta capacidade de processamento eletrônico seria necessária para as crescentes necessidades tecnológicas mundiais. Naturalmente Aiken não considerou os vastos volumes de dados gerados pela pesquisa científica, a proliferação de computadores pessoais ou o surgimento da Internet, que apenas alimentou nossa necessidade por mais, mais e mais potência dos computadores.Será que algum dia teremos computadores com a potência que necessitamos ou desejamos? Como declara a Lei de Moore, se o número de transistores em um microprocessador continuar dobrando a cada 18 meses, no ano 2020 ou 2030 os circuitos em um microprocessador serão medidos em escala atômica. O próximo passo lógico será a criação de computadores quânticos, que vão utilizar a potência de átomos e moléculas para realizar funções de memória e processamento. Os computadores quânticos têm potencial para realizar cálculos bilhões de vezes mais rápido que qualquer computador baseado em silício.Cientistas já criaram computadores quânticos básicos que podem realizar certos cálculos, mas um computador quântico, na prática, ainda está a anos de acontecer. Nesta edição, você vai aprender o que é um computador quântico e para que ele será usado na próxima era da computação.  Definindo o computador quânticoNão é preciso voltar muito no tempo para encontrar as origens do computador quântico. Eles foram idealizados há apenas 20 anos atrás, por um físico do Laboratório Nacional de Argonne (em inglês), Paul Benioff, creditado como a primeira pessoa a aplicar a teoria quântica a computadores em 1981. Benioff idealizou a criação de uma máquina de Turing quântica. A maioria dos computadores digitais, como o que você está usando para ler este artigo, é baseada na Teoria de Turing.A máquina de Turing, desenvolvida por Alan Turing nos anos 30, consiste em uma fita de comprimento ilimitado dividida em pequenos quadrados. Cada quadrado pode comportar um valor (1 ou 0) ou ser deixado em branco. Um dispositivo de leitura e gravação lê esses valores e espaços em branco, o que fornece à máquina instruções para executar determinado programa. Soa familiar? Bem, a diferença na máquina de Turing quântica é que a fita existe em um estado quântico, assim como o cabeçote de leitura e gravação. Isso significa que os valores na fita podem ser 0, 1 ou uma sobreposição de 0 e 1. Enquanto que uma máquina de Turing normal pode realizar apenas um cálculo por vez, sua versão quântica pode realizar várias.Os computadores de hoje, como a máquina de Turing, funcionam pela manipulação de bits que existem em dois estados: 0 ou 1. Os computadores quânticos não são limitados a dois estados - eles codificam as informações como bits quânticos, ou qubits, que pode existir em sobreposição. Qubits representam átomos, íons, fótons ou elétrons e seus respectivos dispositivos de controle trabalham juntos para agir como uma memória de computador e um processador. Como um computador quântico pode conter esses estados múltiplos simultaneamente, tem potencial de ser milhões de vezes mais potente que os supercomputadores atuais.Essa sobreposição de qubits é o que dá aos computadores quânticos seu paralelismo inerte. De acordo com o físico David Deutsch, esse paralelismo permite que um computador quântico realize 1 milhão de cálculos ao mesmo tempo, enquanto que o seu PC faz apenas um. Um computador quântico de 30 qubits deve igualar a potência de um computador convencional a 10 teraflops (trilhões de operações de ponto flutuante por segundo). Os computadores pessoais de hoje rodam a velocidades medidas em gigaflops (bilhões de operações de ponto flutuante por segundo).Os computadores quânticos também utilizam outro aspecto da mecânica quântica conhecido como entrelaçamento. Um problema com a idéia de computadores quânticos é que se você tentar olhar as partículas subatômicas, pode danificá-las, alterando o seu valor. Se você observar um qubit e sobreposição para determinar seu valor, o qubit vai assumir o valor 0 ou 1, mas não ambos (efetivamente tornando seu computador quântico em um computador digital normal). Para fazer um computador quântico, os cientistas devem determinar maneiras de medir, indiretamente, com o intuito de preservar a integridade do sistema. O entrelaçamento tem essa potencial resposta. Mas na física quântica, quando se aplica uma força externa a dois átomos, isso pode torná-los entrelaçados, fazendo com que o segundo átomo adote as propriedades do primeiro. Assim, se um átomo for deixado inerte, vibrará em todas as direções, mas no momento em que houver interferência, ele vai escolher um giro (valor). Ao mesmo tempo, o segundo átomo entrelaçado irá escolher um giro (valor) contrário. Isso permite que cientistas saibam o valor dos qubits sem precisar olhá-los.  Os computadores quânticos hojeOs computadores quânticos podem substituir os chips de silício um dia, assim como o transistor substituiu o tubo a vácuo. Por hora, a tecnologia requerida para desenvolver tal computador está além do nosso alcance. A maioria das pesquisas em informática quântica ainda é muito teórica.Os computadores quânticos mais avançados ainda não foram além da manipulação de mais de 16 qubits, o que significa que eles ainda estão longe da aplicação prática. Mas diversos avanços estratégicos foram feitos na informática quântica nos últimos anos. Permanece, portanto, o potencial dos computadores quânticos de realizar com facilidade e rapidez cálculos que demandam uma grande quantidade de tempo em computadores convencionais.    * Em agosto de 2000, pesquisadores do Centro de Pesquisa Almaden da IBM (em inglês)desenvolveram o que eles alegam ser o mais avançado computador quântico até o presente. O computador quântico de 5 qubits foi projetado para permitir que os núcleos de 5 átomos de flúor interagissem entre si, programado por pulsos de rádio-freqüência e detectado por instrumentos de ressonância magnética nuclear (RMN) semelhantes aos utilizados em hospitais (veja Como funciona a geração de imagens por ressonância magnética para detalhes). Comandada pelo Dr. Issac Chuang, a equipe da IBM foi capaz de resolver em uma etapa um problema matemático que computadores convencionais levariam repetidos ciclos para resolver. O problema, chamado order-finding, envolve encontrar o período de uma determinada função, um aspecto típico de muitos problemas matemáticos na área da criptografia.    * Em março de 2000, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos (em inglês)anunciaram o desenvolvimento de um computador quântico de 7 qubits dentro de uma única gota de líquido. O computador quântico utiliza a RMN para manipular partículas dentro do núcleo atômico das moléculas de ácido transcrotônico, um fluido simples que consiste de moléculas feitas de seis átomos de hidrogênio e quatro de carbono. A RMN é utilizada para aplicar pulsos eletromagnéticos, que fazem com que as partículas se alinhem. Essas partículas, em posições paralelas ou em sentido contrário ao campo magnético, permitem que o computador quântico controle a codificação de informações em bits para computadores digitais.    * Em 1998, pesquisadores de Los Alamos e do MIT conseguiram espalhar um único qubit por três giros nucleares em cada molécula de uma solução líquida de moléculas de alanina ou tricloroetileno. Espalhar o qubit o tornou mais difícil de ser corrompido, permitindo que os pesquisadores usassem o entrelaçamento para estudar as interações entre os estados como um método indireto de analisar as informações quânticas. Se computadores quânticos funcionais puderem ser construídos, serão de grande valia para a fatoração de grandes números e, assim, extremamente úteis para a codificação e decodificação de informações secretas. Se um computador quântico fosse construído hoje, nenhuma informação na Internet seria segura. Nossos atuais métodos de criptação são simples em comparação com os complicados métodos possíveis em computadores quânticos, que também poderiam ser usados para pesquisar extensos bancos de dados em bem menos tempo que um computador convencional.Contudo, a computação quântica ainda está em seu estágio inicial de desenvolvimento e a tecnologia necessária para criar um computador quântico prático está a anos de distância. Os computadores quânticos devem ter no mínimo algumas dúzias de qubits para serem capazes de resolver problemas do mundo real e servir então como um método de computação viável.extraído do site: http://informatica.hsw.uol.com.br/computadores-quanticos3.htm