Computação Quântica: um melhor entendimento do mundo quântico.
Dioeliton Passos
Elder Soares
Richardson Roberto *
A partir dos anos 80 começaram a surgir idéias que misturavam conceitos de mecânica quântica com teoria da computação, dando origem a uma área de pesquisa física chamada de computação quântica.Um computador quântico é um dispositivo que executa cálculos fazendo uso direto de propriedades da mecânica quântica, tais como sobreposição e emaranhamento. Teoricamente, computadores quânticos podem ser implementados e o mais desenvolvido atualmente trabalha com poucos q-bits de informação. O principal ganho desses computadores é a possibilidade de resolver, em tempo eficiente, alguns problemas que na computação clássica levariam tempo impraticável, como por exemplo: fatoração, busca de informação em bancos não ordenados, etc. Considerando todos esses aspectos, nesse trabalho tivemos a finalidade de mostrar pra o meio acadêmico, mais especificamente pra UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO, a maior tecnologia do século XXI.
PALAVRAS-CHAVES: mecânica quântica; bit e q-bit; algoritmo; criptografia; teleporte.
1.0- Introdução
A física nos últimos anos vem sofrendo profundas transformações, em consequência do desenvolvimento de novas técnicas de manipulação da matéria em níveis molecular e atômico. No entanto, foi a mais básica das teorias físicas, a mecânica quântica,que partindo dela, surgiram as possibilidades mais atraentes, tanto em termos científicos quanto tecnológicos.
A computação quântica é um novo paradigma de computação, que pode ter profundas consequências, não só para a tecnologia, mas também para a teoria da informação, para a ciência da computação e para a própria mecânica quântica.
Investigar novos modelos semânticos para computação quântica, fundamentando o desenvolvimento, a análise, a modelagem e a simulação (via software e/ou hardware) de chaves quânticas, superposição de estados quânticos, de uma rede quântica de teleporte e de algoritmos quânticos disponibilizados na forma de software livre, viabilizando a exploração das propriedades que compõem à computação quântica no desenvolvimento tecnológico e científico, na qual mundo está inserido.
Neste trabalho tivemos o intuito de divulgar a Computação Quântica, tendo em vista que esse assunto é relativamente novo, e poucas pessoas o conhecem.Nosso trabalho foi feito através de pesquisas em livros relacionados ao assunto em sites e revista, sendo totalmente desenvolvido através de uma analise histórica a cerca da Computação Quântica, podendo definir oqueé um computador quântico, as suas estruturas, os efeitos práticos e onde atuamente as pesquisas tem evoluido no ramo da computação, podendo até imaginar como será o primeiro computador quântico.
* Discentes do curso de Licenciatura Plena em Física da Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE).
2.0 - Breve Histórico.
O interesse pela computação quântica teve inicio nos últimos 30 anos atrás, quando os cientistas sugeriram que os computadores baseados nas leis da física deveriam se basear nos sistemas quânticos, tendo a seguir, como datas chaves para o surgimento da computação quântica:
·1973 - foram demonstradas as possibilidades de computação reversível por Charles Bennett.
·1982 - foi proposto um computador quântico por Paul Benioff, baseado no trabalho de Bennett.
·1984 - o físico Charles B. e Gilles Brassard descobriram o protocolo criptográfico quântico (BB84).
·1993 - o pesquisador e físico Peter Shor descobre o algoritmo, neste ano também é descoberto o teleporte quântico por Charles B. e colaboradores.
·1994 - o físico Lov Grover descobri o algoritmo de busca.
·1997 - os físicos Neil Gershenfield e Isaac Chuang descobrem os estados pseudo-puros, fazendo eclodir a computação quântica por ressonância magnética (RMN).
·1998 - foi o ano da computação quântica por RMN, sendo criadas várias chaves lógicas quânticas.
·2007 - a empresa canadense D-WAVE afirmou ter desenvolvido um computador quântico híbrido (ORION), que inclui um processador de 16 q-bits. A comunidade científica recebeu a notícia da empresa com ceticismo, por ela não ter liberado maiores detalhes do processador.
Atualmente vemos diversos fatos que indicam que a computação quântica já é uma realidade para alguns países, mas num futuro próximo poderemos entender melhor como funciona, e até mesmo aplicá-la em nosso cotidiano.
3.0 - Entendendo a Computação Quântica.
3.1 - O que é Computação Quântica.
Computador quântico é um aparelho específico que usa as leis da mecânica quântica ¹ para verificar informações. Um computador quântico trabalha com o paralelismo quântico, que se baseia na mecânica quântica.
A mecânica quântica e a computação quântica começaram a se unir na década de 80, originando um novo campo de pesquisa, a computação quântica e a informação quântica, nos quais são manipuladas através das propriedades quânticas dos sistemas.
A computação quântica é um novo horizonte da computação clássica, que provavelmente terá mudanças inestimáveis, tanto para a mecânica quântica quanto para a computação. Tendo como exemplo o algoritmo de Shor ¹, capaz de fatorar um número inteiro representado por n bits em um tempo polinomial n, conforme a tabela abaixo, adaptada por Oliveira (2005).
[¹] Mecânica Quântica, estuda os eventos que transcorrem nas camadas atômicas e subatômicas.
Tabela 1. Comparações dos tempos de fatoração.
Comprimento do nº a ser fatorado (em bits).
Tempo de fatoração por algoritmo clássico.
Tempo de fatoração. algoritmo de Shor.
512
4 dias
34 segundos
1024
100 mil anos
4.5 minutos
2048
100 mil bilhões de anos
36 minutos
4096
100 bilhões de quatrilhões de anos
4.8 horas
Oliveira. Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.
A dificuldade na fatoração de números grandes é à base da segurança de mensagens criptografadas que viajam pela internet todos os dias, levando informações secretas. Essas mensagens são chamadas de criptografia quântica que, segundo o BB84 (Protocolo Criptográfico Quântico) decodifica o envio de mensagens secretas em chaves quânticas, dificultando a interceptação das mensagens pelos hackers.
3.2 - A estrutura dos Computadores Quânticos.
Um computador clássico tem uma memória feita em bits, onde cada bit guarda um "1" ou um "0" de informação. Já um computador quântico mantém um conjunto de q-bits, funcionando pela manipulação desse conjunto de q-bits. Eles são formados por alguns sistemas de pequenas partículas, obedecendo às leis da mecânica quântica.
Os computadores quânticos são materializações de máquinas de Turing (1936 apud Oliveira, 2005, 199-202), que formalizam um método para a resolução de problemas matemáticos por meio de algoritmos. Dentro das máquinas, as operações lógicas são executadas por um conjunto de circuitos eletrônicos que formam estruturas elementares conhecidos como chaves lógicas.
Os componentes eletrônicos estão sofrendo uma miniaturização, e que segundo a Lei de Moore ², até o ano 2020, um bit de informação será representado por um único átomo. São as leis da mecânica quântica que são usadas para descrever o componente de átomos individuais, ou seja, bits representados por átomos individuais não são bits clássicos, mas sim bits quânticos ou q-bits.
[¹] Peter Shor, físico norte americano que descobriu o algoritmo em1994.
[²] Gordon Moore, 1950 apud, Oliveira, 2005, 202-204. Lei de Moore, afirma que a cada 18 meses a capacidade de processamento dos computadores dobra.
Gráfico 1. Lei de Moore.
Oliveira.Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.
3.3 - teleporte.
Pode parecer estranho, mais é uma aplicação da computação quântica, desafiando até o bom senso. Foi teoricamente proposto em 1993 pelo físico Charles Bennet e experimentado em 1997 pelo grupo de Dik Bouwmeester em Viena (Oliveira, 2005).
O teleporte consiste no envio de informações quânticas de um q-bits para outro que se encontra espacialmente separado.
O poder dos computadores quânticos vai além do que podemos imaginar, eles são capazes de quebrar sistemas criptográficos atualmente em uso, deixando inseguro toda e qualquer forma de navegação por meio de internet, é como se alguém estivesse te olhando através do seu computador.Mas, as quebras desses códigos teriam um impacto significativo para o uso de computadores, tendo como única forma de proteção, tornar maior o tamanho da chave do que o computador quântico.
4.0 - Efeitos práticos
A D-wave, uma empresa canadense, afirmou que o computador quântico (Orion) foi construído com 16 q-bits, porém, codifica simultaneamente 1 e 0, carregando mais informações e resolvendo problemas num menor espaço de tempo. Teoricamente terá o mesmo desempenho dos computadores atuais.
Vários computadores quânticos já foram testados com sucesso em muitos laboratórios pelo mundo. No entanto a computação quântica em larga escala permanece em sonho, que para se tornar realidade exigirá esforço permanente, financiamento consistente de pesquisa básica e muito tempo de dedicação em pesquisa.
4.1 - Pesquisa Nacional
Enquanto o primeiro computador quântico comercial permanece no campo das promessas, as pesquisas acadêmicas avançam. No Brasil, além do grupo de Portugal, que reúnem orientados em projetos de iniciação científica, mestrado e doutorado sobre o tema, outros núcleos de pesquisas em universidades do Rio de Janeiro e na Paraíba, entre outras, trabalham na área de desenvolvimento de software para computação quântica .Segundo a reportagem de Moreira, os cientistas afirmam o seguinte:
' Não temos computadores quânticos, mas não é o problema, porque depois que tem as regras do jogo, só é preciso saber se as está satisfazendo corretamente'. (Daniela Moreira, 2007, repórter do IDG Now.)
5.0 - Quais são as perspectivas?
Podemos sonhar com os computadores quânticos de verdade? Apesar das dificuldades, existem diferentes propostas para a construção de um processador quântico. De fato, em alguns setores as aplicações das informações quânticas já estão se tornando realidade. Em abril de 2004 foi feita na Áustria a primeira transação bancária utilizando um sistema criptográfico quântico (Oliveira, 2005, 223).
A computação quântica em larga escala irá se desenvolver como uma consequência de outra área de investigação da física básica: a nanociência e a nanotecnologia, nas quais a propriedade computacional que só podem existir nesse limite, graças às Leis da Mecânica Quântica, isso irá minimizar os erros de processamentos quânticos, a manipulação deste espaço ultrafino será feita por inúmeros equipamentos. Como consequência deste fato, o primeiro computador quântico propriamente dito, ocupará todo andar de um prédio e pesará 1 tonelada. Exatamente como previu a Popular Mechanics há mais de 50 anos (Popular Mechanics, 1949 apud Oliveira, 2005, 197).
De fato, o principal propósito da computação quântica é fazer uso das especulações de pesquisadores, que vão se valendo de experimentos feitos em laboratórios ao longo de anos, para aumentar o poder de cálculo dos computadores, e isto tem sido verificado com enorme sucesso. Possa ser que, dentro de alguns anos, as pessoas possam adquirir produtos, usando uma rede quântica de comunicação, absolutamente a prova de hackers.
Referências Bibliográficas
A. Torres, Carlos Magno... [et al.]; Física: ciência e tecnologia, vol. único. Moderna.São Paulo. 2001.
Oliveira, Ivan S. Física Moderna, vol. 2. São Paulo. Editora Livraria da Física. 2005.
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www. cbpf. com. br/ comp. Quântica. Acesso em 5/2009.
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Autor: Richardson Roberto De Almeida
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