Portas lógicas quânticas: Genius at Work!

Vamos falar hoje um pouco sobre as incríveis portas lógicas quânticas!

Diferentemente das portas lógicas clássicas, as portas quânticas trabalham com Qubits, e isto muda todo o paradigma conhecido. A primeira diferença é que todas as portas lógicas quânticas são ditas reversíveis. Outro ponto é que as portas são representadas por matrizes unitárias , onde  é o número de Qubits que a porta lógica quântica está transformando. As principais portas são:

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Hadamard gate

Esta porta atua em um único qubit. Ela mapeia o estado inicial  para  e  para  . A medida terá probabilidades iguais de se tornar 1 ou 0. Ela cria superposição. É representada pela matriz de Hadamard: .

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Pauli-X gate

Esta porta atua em um único qubit. É o equivalente quântico da porta lógica clássica NOT. Ela mapeia o estado inicial  para  e vice versa. É representada pela matriz de Pauli: .

Pauli-Y gate

Esta porta atua em um único qubit. Ela mapeia o estado inicial  para  e  para . É representada pela matriz de Pauli Y: .

 

Pauli-Z gate

Esta porta atua em um único qubit. Ela mantém o estado inicial  inalterado e mapeia  para . É representada pela matriz de Pauli Z: .

A Ação dos Fantasmas Entrelaçados

As leis que regem o universo subatômico, além de serem esquisitas e estranhas, são aterrorizantemente fantasmagórica. Se você tem medo de assombrações, não adianta correr nem se esconder. Só resta sentar no canto do quartinho escuro e chorar, pois fantasmas povoam o mundo quântico.

Ação Fantasmagórica do Assombroso

Einstein em… muito muito tempo atrás, já havia observado que existem partículas subatômicas que interagem entre si mesmo numa galáxia muito muito distante entre elas, através do fenômeno quântico do entrelaçamento. Ou seja, as partículas entrelaçadas tem seu giro, sua posição, dentre outras propriedades interligadas, através de algum processo desconhecido pela ciência moderna, onde o comportamento de uma partícula reflete na outra. Ex.: se a partícula A gira no sentido horário, o giro da partícula B será no sentido anti-horário, como num espelho. Ele chamou esse fenômeno de Ação Fantasmagórica à distância (cliquem no link para ler o artigo feito por ele. =D). Mas, como isso é possível? Como dissemos antes, a ciência moderna ainda não sabe responder essa pergunta. Caso ainda tenham alguma dúvida, vejam essa animação feita pela TV Brasil.

Espelhamento no Entrelaçamento Fantasmagórico

Entrevista com… Ebusiness Live University

Nosso blog foi entrevistado pela querida Sarah Uska, da Ebusiness Live University, numa entrevista bem descontraída via Skype sobre esse mundo bizarro da computação quântica. O artigo foi postado no final de novembro, e fomos citado na postagem desta universidade. Cliquem e confiram o artigo “Conheça o formidável mundo da Computação Quântica” na íntegra.

Nosso grande agradecimento a Sarah e à Universidade pela oportunidade.

A Computação Quântica

Após 9 meses de vida, para comemorarmos o nascimento do nosso blog (é menino ou menina?) e nossos mais de 50 posts durante esse tempo, enfim um post sobre a computação quântica em si. Sempre falamos mal… er… digo… sobre ela, mas nunca um post exclusivo sobre o tema principal de nosso blog preferido era feito (só após diversas ameaças de morte de nossas contrapartes de outros universos, admito…).

• O Problema

Agora seus problemas acabaram-se. Só que não. Os problemas estão apenas começando graças a Gordon Earl Moore. Em meados da década de 1960, ele afirmou que a cada 18 meses dobraria o número de transistores num processador, aumentando sua capacidade de processamento, com o mesmo custo de fabricação. Isso implica que, por causa dessa evolução, no ano de 2020 cada bit terá a dimensão de um átomo alcançando o limite para sua evolução. Essa teoria ficou conhecida como a Lei de Moore.

 

Gordon Earl Moore e sua lei

• A Solução

Cada vez menor, o transistor está chegando ao limite devido a estrutura física do material utilizado em sua fabricação, o silício, que devido ao tamanho perde as características de condutividade elétrica necessário para o processamento. O grafeno é um material que está sendo pesquisado para substituí-lo, porém se chegamos ao tamanho atômico por  que não pesquisar e utilizar as propriedades da física que regem o mundo subatômico para criar dispositivos eletrônicos que aumentem a capacidade de processamento próximo da velocidade da luz?

Qudit – A Nova Esperança

As pesquisas na computação quântica mal esquentaram e temos um novo e promissor passo na área. Não sabemos quem inventou, mas graças às pesquisas feitas dos nossos amigos da terra dos skavurskas!, está sendo desenvolvida uma nova forma de utilização de um outro tipo de armazenamento de informação que irá exponenciar o processamento: o Qudit. Antes de falarmos sobre ele, vamos fazer uma breve revisão de bit e qubit, temas que abordamos em vários dos nossos posts.

O bit é a menor unidade de armazenamento de informação no computador clássico que permite dois possíveis estados: 1 ou 0. Para a computação quântica, temos o nosso querido e famoso qubit, que através da propriedade da superposição, permite que os estados 1 e 0 existam ao mesmo tempo nele aumentando a capacidade de processamento exponencialmente ( qubits).

Voltando a pesquisa dos nossos miguxos skavurskas!, em 2016 eles desenvolveram um método para utilizar os multiniveis dos qudits para armazenar as informações e computá-las, ao invés de trabalhar na estabilidade de um monte de qubits.

Dito isso, o que vem a ser esse tal de qudit? É um sistema d-dimensional de estados quânticos que pode assumir N estados ao mesmo tempo. É isso mesmo que você leu, meu caro leitor. São N estados superpostos. E o que quer dizer isso? Bom, vamos lá. Um qubit pode assumir 2 estados ao mesmo tempo. Um qutrit pode assumir 3, um quaquart 4 e assim por diante. Ou seja, esses estados adicionais permitem que uma menor quantidade de qudits realizem o mesmo trabalho que uma determinada quantidade de qubit o faz (cá entre nós… segundo os caras da KGB, um único qudit com 5 níveis é capaz de realizar uma computação quântica completa *0*).

     
Representação gráfica e a matriz de um quaquart

Sabemos que ele pode ser representado na esfera daquele cara que tem como grande inimigo o esqueleto: o Riemann!

Riemann e sua esfera. Perai esse é o He-man. Desculpe nossa falha técnica… =P.

Não conseguimos uma figura para ilustrar a esfera de Riemann de um qudit (snif… snif..), apenas uma representação algébrica que ao menos por agora não iremos abordar. Mas, nem tudo está perdido. Achamos um experimento realizado pelo Instituto Nacional de Pesquisa Científica (National Institute of Scientific Research – INRS) no Canadá, que foi recentemente publicado na revista Nature de junho/2017 utilizando o qudit que iremos descrever rapidamente aqui. O método utilizado nessa pesquisa foi o de mistura de quatro ondas espontâneas (Spontaneous Four-Wave Mixing – SFWM) num micro anel ressonador não linear. Nele um pulso laser é filtrado para excitar o micro anel ressonador adequadamente e gerar fótons simétricos em superposição de múltiplas frequências. Os fótons são processados e manipulados nos filtros programados e no modulador, onde o resultado gerado é detectado por dois fótons contadores.

Ilustração da medição do qudit da pesquisa

Bom, se acharam que os qubits iriam acelerar o mundo da computação, os qudits parecem chegar com a promessa de exponencializar o exponencializado e roubar os holofotes dos qubits. Ao que tudo indica, é mais fácil controlar os diversos níveis dos qudits do que uma grande quantidade de qubits. Até a próxima.

Fontes:
https://mipt.ru/english/news/physicists_find_a_way_of_bundling_together_multiple_elements_of_a_quantum_computer
https://www.bbvaopenmind.com/en/towards-the-quantum-computer-qubits-and-qudits/
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/qudits-the-real-future-of-quantum-computing
https://www.nature.com/articles/nature22986.epdf?referrer_access_token=m2Cde8lf2Zh2R9vqdRitfdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PJityhJkSWpq1THf-VSsArUhH5B2sAknySsan793cm3_eBBo9MOlyHeYxjGaqZnurhzcH7meLV3MMg5Q5-D4vlMlU-NCaRIE4XBnNREmU0z1WU8YYGcro3-m56ZnOv-djeJfdioz8743j4LAE5I8vkMm6oc8W8_hmdFSbxIjbVWNw4YvBWh0_Ct8hYflCuOY38KpBEFFTmoncxMDjN8a7vpt_r52ScoN43wj4CEhpr7A%3D%3D&tracking_referrer=spectrum.ieee.org

A Visão da Física Quântica – O Qubit

Sabemos que a física quântica compõe a computação quântica em todos os aspectos e até agora demos apenas a visão relacionada à computação. Claro, né? Afinal de contas isso aqui é um blog de computação quântica. =)

Porém, iremos a partir deste post, abordar alguns temas básicos pertinentes à computação quântica tentando mostrar a visão da física quântica através de algumas aulas/palestras ministradas por nada mais, nada menos que nosso pioneiro quântico David Deutsch que já teve um post dedicado à sua pessoa neste blog.

Como sempre, iniciaremos com nosso amigo qubit (o que seriamos de nós sem ele, não? XD). Maaaassss… não tão rápido. Antes de chegarmos nos finalmentes, precisamos das preliminares…

• Teoria da Computação x Física

Sabemos que a computação quântica está chegando para romper os paradigmas da computação clássica propiciando novas formas de computação que a clássica não consegue realizar. A ideia defendida por Hugh Everett, em 1957, propõe que nosso universo seja apenas uma fração de uma realidade constituída por vários universos coexistindo simultaneamente. O universo da física clássica é autocontido, ou seja, qualquer coisa que se faça nele não afeta outros universos, porém no multiverso de Everett, o objeto possui contrapartes em todos os universos e eles se afetam diretamente por poderem ter diferentes comportamentos. Essa interferência quântica (abordaremos esse tema em breve, não saiam dai da poltrona!) é que comprova a existência de outras realidades e sob certas circunstâncias, ela permite novos modos de processamento da informação.