A Introdução à Arquitetura de Computadores Quânticos

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Introdução à Arquitetura de Computadores Quânticos

Edes Lázaro Pereira dos Santos, Flávia de Jesus Correia, Neylan Oliveira Dos Santos e Wellington da Conceição Ribeiro

Resumo— Neste artigo são trazidos pontos importantes para entender melhor como ocorre o funcionamento e a junção e partículas atômicas com equipamentos eletrônicos, tendo como referência de cientistas que foram cruciais para o desenvolvimento desses equipamentos, com análise de artigos de autores importantes na atualidade, com metodologia qualitativa, obtendo-se resultados expressivos sobre a abrangência d física quântica na era computacional, conhecendo, assim, alguns dos pontos positivos e negativos da computação quântica.

 

Palavras-chave—- Arquitetura, computadores, quânticos, mecânica quântica, inovação.

1. INTRODUCTION

A área da computação, desde o século XX, vem crescendo esporadicamente, valendo ressaltar que durante a 2ª Guerra Mundial, foi muito utilizada para o auxílio na quebra de criptografia das mensagens enviadas pelos alemães. [1]

Os cálculos que foram importantes para esse início, foram desenvolvidos desde muito antes, como a Álgebra Booleana, o estudo da eletricidade, dos campos magnéticos, que foram capazes de dar início à criação de circuitos lógicos, transístores, circuitos analógicos, digitais, entre outros.

Nomes como Alan Turing, Edsger Dijkstra, Claude Elwood Shannon, Tim Berners Lee, George Boole, John Von Newman, foram de grande importância para que hoje tivéssemos as tecnologias utilizadas, tanto para a população, com computadores pessoais, smartphones e tablets, como para as grandes organizações, como IBM, Microsoft, Dell, Apple, Intel, Google.

Um estudo revolucionário neste segmento foi o desenvolvimento de pesquisas de computadores quânticos, tendo a ideia de aplicar as leis da física na arquitetura computacional [2], em especial a física quântica. Essa estrutura foi desenvolvida para lidar com os átomos, os elétrons, prótons, fótons, entre outros.

Richard Feynman, em 1981, apresentou um argumento para sistemas quânticos nos computadores, David Deutsch descreveu o primeiro computador quântico, a Máquina de Turing Quântica, em 1985, Peter Shor foi responsável em criar o Algoritmo de Shor, que fatora números grandes em velocidade superior a computadores clássicos. [3]

A física quântica trabalha com a probabilidades, superposição quântica, com o emaranhamento quântico. Albert Einstein, Max Planck, Niels Bohr, John Von Newman, Werner Heinsberg, entre outros, foram importantes para se obter uma base suficiente para o estudo da mecânica quântica e inovações nesta área em especial. [4]

1. Qubits

Qubit é a menor unidade de informação utilizada pelo computador quântico, que diferente do computador comum que usa como unidade de informação o bit convencional. Um bit convencional pode assumir apenas dois estados, verdadeiro ou falso, 0 ou 1, possuindo um estado por vez, enquanto o qubit pode assumir ambos os estados ao mesmo tempo. Enquanto a base binária soma a informação de cada bit, uma sobreposição^[2] de qubits resulta na multiplicação de suas possibilidades (n qubits = 2n bits) [5].

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Fig. 1. Equivalência de qubits em bit.

Os dados totais guardados pelos bits são iguais à soma dos mesmos. (1 + 1 + 1 + ... = n), enquanto os dados armazenados pelos qubits aumenta exponencialmente (2 x 2 x 2 ... = 2^n). Cada bit adiciona uma única informação no conjunto, já um único qubit dobra a capacidade de informações do mesmo[7].

Diversos sistemas físicos podem representar qubits, da mesma forma que vários sistemas clássicos podem realizar o papel de bits. Moedas ou circuitos eletrônicos, por exemplo. A própria luz pode servir de meio físico no qual qubits são codificados. Outros exemplos são correntes elétricas em anéis supercondutores as denominadas junções Josephson^[3]; elétrons aprisionados em sistemas conhecidos como poços quânticos; íons aprisionados em armadilhas magnéticas etc. Um sistema físico tem sido particularmente importante para demonstrar os princípios da computação quântica: os momentos magnéticos de núcleos atômicos. A manipulação da informação quântica nesses qubits é feita através da técnica conhecida como Ressonância Magnética Nuclear (RMN)^[4][8].

Existem outras formas de manipular a informação quântica, como, por exemplo, a óptica, na qual os possíveis planos em que os fótons (partículas de luz) vibram simbolizam os qubits – quando a luz vibra em um determinado plano, podemos dizer que ela está polarizada. Dessa forma, para a direção de polarização vertical, assume o valor lógico ‘0’; para a direção horizontal, o valor lógico ‘1’. Através do uso de espelhos, divisores de feixes, detectores e outros aparatos ópticos, os qubits são manipulados para executarem operações lógicas[8].

1. Portas quânticas

Os conhecimentos já adquiridos sobre lógica, mostram que, computadores digitais utilizam somente as portas AND, OR e NOT para processar os dados e ter os resultados necessários. Essas portas combinadas podem dar resultados, além dos já citados anteriormente, como NOR, NAND, XOR e XNOR.

Valendo ressaltar que, as saídas dessas portas são somente de nível lógico alto(1) ou nível lógico baixo(0), nunca ambos os estados. Essa característica é uma das que fazem com que computadores pessoais demorem tanto para dar resultados desejados em processamentos com grande volume de informações.

Já computadores quânticos, podem assumir os dois valores ao mesmo tempo, o que aumenta a velocidade de processamento dos dados e a largura de banda, também essas operações possibilitam ter mais de uma saída. O que se torna necessário pois precisam ser medidos todos os qubits.

Existem várias portas lógicas quânticas, como a NOT, a Controlled-Not(CNOT), Hadamard (H) e ZC-NOT. As mesmas são matrizes reversíveis [11], o que possibilitar ter o resultado da própria matriz, quando multiplicada pela sua transposta, para ocorrer o salvamento dos resultados dos qubits.