Computação Quântica
Rodrigo Pedro WerleJunho/2013
Computação Quântica Porque usar a Computação Quântica Máquina de Turing Quântica Qubit Registradores Quânticos Portas Lógicas Quânticas Algoritmo de Shor Algoritmo de Grover Primeiro Computador Quântico - ORION
Agenda
Computação Quântica decorre da junção de:
- Mecânica Quântica- Informática
Surgiu da necessidade de descrever fenômenos microscópicos
Funciona de maneira probabilística, onde não se aplica a teoria clássica
Não possui barramentos ou instruções, é uma arquitetura completamente nova
Computação Quântica
Levará a novas tecnologias que terão impactos amplos e profundos
Muitas das ciências e tecnologias já estão se aproximando do ponto em que precisam isolar, manipular e transmitir partículas (Lei de Moore)
Novos conhecimentos sobre os fenômenos e sistemas quânticos complexos podem ser gerados
Criptografia quântica nos leva a um novo patamar de segurança
Porque usar a Computação Quântica?
David Deutsch– 1985: MTQ (Máquina de Turing Quântica)– 1989: publicou primeiro algoritmo quântico
- Máquina de Turing Clássica evoluida- Fita, cabeçote de leitura e gravação em um
estado quântico- Valores na fita podem ser 0, 1 ou uma
sobreposição de 0 e 1- Realização de vários cálculos de uma só vez
Máquina de Turing Quântica
Papel semelhante ao BIT Pode possuir dois valores ao mesmo tempo Devido a superposição de estados é
possível fazer um processamento simultâneo de informações
Enquanto o bit soma a informação de cada bit, uma sobreposição de qubits resulta na multiplicação de suas possibilidades
QUBIT
Bit é igual à soma direta deles (1 + 1 + ... = n)
Qubit a informação armazenada por um conjunto de qubits cresce exponencialmente (2 x 2 x 2 ... = 2^n)
QUBIT
Memória com pequena capacidade, mas rápida
Armazenamento temporário durante a execução de processamentos
Meio mais rápido e caro de se armazenar dados
Formados pelo agrupamento de qubits utilizando superposição de estados
Registradores Quânticos
Os circuitos quânticos são projetados assim como os clássicos utilizando portas lógicas
Portas lógicas quânticas devem ser reversíveis garantindo assim que ao analisar a saída seja possível saber a entrada
Um exemplo de porta quântica é a operação C-NOT (não-controlado) que permite que um qubit a seja invertido se o qubit b for 1, essa operação implementa a definição de correlação, pois faz com que um qubit seja dependente do outro
Portas Lógicas Quânticas
Criado em 1993 por Peter Shor para fatoração de grandes números
Fatores primos de um número composto N tinha seu algoritmo mais eficiente com complexidade O (e1/3*log(n^2/3)) na computação clássica
Utilizando o Algoritmo de Shor na computação quântica obtemos complexidade de O (n2 * log n * log log n)
Algoritmo de Shor
Sistemas criptográficos atuais não serão mais seguros
Chaves deverão ter mais bits do que os qubits dos computadores quânticos mais poderosos
Algoritmo de Shor
Tempo de Fatoração
(Algoritmo de Shor)
Número de bits a
ser fatorado
Tempo de Fatoração por
algoritmos clássicos
34 segundos 512 4 dias
4,5 minutos 1024 105 anos
36 minutos 2048 1017 anos
4,8 horas 4096 1035 anos
Criado em 1996 por Lov Grover Objetivo encontrar um elemento específico
em uma lista não ordenada com N elementos Proporcionando um ganho quadrático em
relação a um algoritmo clássico No algoritmo clássico temos que testar
elemento por elemento, no pior caso possível precisamos realizar N testes
Algortimo de Grover: Complexidade √N, o que o coloca como um algoritmo de classe B
Algoritmo de Grover
Fabricado pela empresa D-Wave e batizado com o nome de Orion, possui 16 qubits e é capaz de realizar tarefas práticas
Previsão de que o primeiro computador quântico seria criado apenas daqui a 20 anos
O Orion é baseado num único chip quântico. Sobre uma base de silício, esse chip abriga os 16 qubits
Primeiro Computador Quântico: ORION
Qubits são formado por uma porção de nióbio circundada por uma bobina.
Quando a bobina é estimulada eletricamente, ela gera um campo magnético, que provoca alterações de estado nos átomos de nióbio. Essas mudanças de estado são captadas pelos circuitos e transformadas em dados.
Para processar informações, elas primeiro são convertidas em impulsos analógicos, que são enviados às bobinas.
Primeiro Computador Quântico: ORIONFuncionamento
Depois, os sinais analógicos coletados são novamente convertidos em bits. Como os sinais analógicos podem sofrer interferências, um complexo filtro de 128 canais é usado para eliminar o ruído. Assim, o processador quântico pode interagir com circuitos digitais convencionais
O chip quântico precisa ser congelado a 4 milikelvins. Isso é feito por meio de um sistema de refrigeração com hélio líquido. O nióbio torna-se supercondutor nessa temperatura
Primeiro Computador Quântico: ORIONFuncionamento
Primeiro Computador Quântico: ORION
Primeiro Computador Quântico: ORION
A D-Wave é a principal produtora de computadores quânticos
O mais recente computador quântico possui 512 qubits de processamento
Ocupa uma sala blindada de 10 m2
O uso de silício é predominante nos periféricos utilizados pela tecnologia
Computador Quântico com 512 qubits
Computação Quântica proporciona a finalização de problemas que antes eram impossíveis de serem resolvidos em tempo hábil
Surgimento do primeiro computador quântico prático Computador quântico de 439 qubits obteve melhor
desempenho que um computador clássico “top-end”, sendo 3600 vezes mais rápido ao executar cálculos envolvendo um problema de otimização combinatorial
Necessário diminuição dos periféricos necessários para o funcionamento do mesmo
Aprimoramento do poder de processamento que ainda está em plena evolução
Conlusões
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