ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES: COMPUTAÇÃO QUÂNTICA

ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES: COMPUTAÇÃO QUÂNTICA

Anne Karolyne Marques de Oliveira ([e-mail])

Organização e Arquitetura de Computadores – Prof. Otávio Cordeiro

Resumo

Este documento apresenta um artigo científico, produzido através da metodologia de pesquisa bibliográfica, tendo como tema a computação quântica e reunindo informações como: suas principais características; quais dispositivos existem em um computador quântico; e abordando questões como o que a computação quântica irá mudar no mundo da computação, no contexto de desenvolvimento de software.

Palavras-chave: Computação Quântica. Arquitetura de computadores. Desenvolvimento de software.

1 INTRODUÇÃO

A computação quântica é a ciência que estuda as aplicações da física quântica na ciência da computação. O universo quântico é feito de probabilidades, de modo que sua aplicação propõe à computação a noção subatômica de que átomos podem assumir simultaneamente os dois estados eletronicamente definidos na computação clássica: 0 e 1.

O exemplo mais utilizado para relacionar essa ideia ao universo macro é o proposto pelo físico austríaco Erwin Schrödinger, que publicou em 1935 uma experiência mental que, resumidamente, propunha que um gato vedado em uma caixa sem transparências, com um frasco de veneno que poderia ser ou não quebrado, assumiria o estado quântico de morte e vida simultâneas, até que alguém efetivamente abrisse a caixa e verificasse o que de fato havia acontecido.

Isso, em termos quânticos, é expressado pela então conhecida propriedade ondular de propagação da luz, que possibilitaria a emissão de fótons em pequenos pacotes, nos quais essas partículas poderiam estar no estado 0 ou 1 da onda, o qual só poderia ser determinado com certeza pela verificação da frequência luminosa resultante. Antes disso, essa frequência poderia ser simultaneamente 0 e 1.

Assim sendo, o que a mecânica quântica acrescenta à ciência computacional é o princípio subatômico de sobreposição de estados, que abre um leque de possibilidades à área.

2 DESENVOLVIMENTO

2.1 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE UM COMPUTADOR QUÂNTICO

Este princípio quântico de estados sobrepostos, no mundo da computação, se aplica à menor unidade de informação: o bit. Na computação clássica, seguindo a arquitetura de Von Neumann, o estado de um bit é determinado eletronicamente: se há corrente elétrica, o estado é 1; senão, é 0. Com a computação quântica, surge o conceito do qubit, uma unidade de informação quântica descrita por um vetor de estado em um sistema quântico de dois níveis, similar ao bit, mas possibilitando, além dos clássicos (0 e 1), uma sobreposição dos estados eletrônicos já conhecidos, tornando possível a existência adicional dos estados 01 ou 10 em uma única unidade de informação.

Na prática, um computador com sistema de processamento quântico teria seus cálculos exponencialmente acelerados, o que é muito interessante para a realização de tarefas manualmente inviáveis, como a fatoração de números muito grandes e buscas em listas desordenadas, por exemplo. Em um ciclo de cálculo binário, se pode calcular um resultado equivalente a “verdadeiro” ou “falso” para cada unidade de informação; com um mesmo ciclo de qubit, pode-se obter, além dos dois anteriormente mencionados, um estado “verdadeirofalso” e um “falsoverdadeiro”, o que pouparia a necessidade de se calcular mais vezes para se chegar ao resultado.

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Figura 1 - Representação de bits clássicos e de qubit

Fonte: qoqms.phys.strath.ac.uk

Por seguir princípios da mecânica quântica, uma importante característica da computação quântica é que ela deve se utilizar dos menores elementos materiais e energéticos, como elétrons e fótons.

O superaquecimento tem se mostrado como uma das principais preocupações a serem tidas com o hardware de um computador quântico, uma vez que sua velocidade de processamento provoca tal elevação de temperatura que se faz necessário o resfriamento do computador ao zero absoluto (273° C) para que não haja erros de cálculos. Isso acaba por prejudicar o conceito de tamanho reduzido do computador quântico, pois alguns sistemas de isolamento e resfriamento desenvolvidos para possibilitar seu funcionamento já ocupam prédios inteiros.

2.2 DISPOSITIVOS EXISTENTES EM UM COMPUTADOR QUÂNTICO

Em 19 de abril de 1965, foi publicado pela revista Electronic Magazine um artigo em que Gordon Earl Moore (co-fundador da Intel) afirmava que a capacidade de processamento dos computadores dobraria a cada 18 meses, sem aumento de custo, mesmo com o aumento da quantidade de transistores por chip. De acordo com esse conceito, que ficou conhecido como Lei de Moore, a previsão é que no ano de 2020, os transistores chegarão ao tamanho de um átomo.

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Figura 2.2 – Crescimento exponencial da capacidade de processamento de um computador

Fonte: universosquanticos.files.wordpress.com/2017/08/moores-law.png

“A complexidade para componentes com custos mínimos tem aumentado em uma taxa de aproximadamente um fator de dois por ano... Certamente, em um curto prazo, pode-se esperar que esta taxa se mantenha, se não aumentar. A longo prazo, a taxa de aumento é um pouco mais incerta, embora não haja razões para se acreditar que ela não se manterá quase constante por pelo menos 10 anos. Isso significa que, em torno de 1975, o número de componentes por circuito integrado para um custo mínimo será 65.000 (65nM). [...] circuitos grandes como este poderão ser construídos em um único componente.” (MOORE, 1965)

Já um computador quântico, estima-se que ele pode caber em uma caixa de 1 angström (ou 0,00000001 centímetro) de lado. Isso seria possível através da proposição de leitura de informações em forma de feixes de luz pelos átomos.

Um exemplo de arquitetura de um computador quântico é o desenvolvido pela IBM em 2001, que contém apenas uma molécula de 7 qubits e realizava fatoração utilizando o algoritmo de Shor. Em março de 2017, foi noticiado que a mesma empresa desenvolveu o IBM Quantum Experience, um computador que contém 17 qubits em funcionamento.