Estados de Bell

Durante nossas pesquisas sobre computação quântica, nos deparamos muito com as palavras “estados de Bell”. Pensamos, logo perguntamos: Onde fica esse país chamado de Bell? Qual sua capital? Quantos estados deve ter ele? Quantas pesssoas moram nele? Será que tem formato de sino? Ou será que é sino com vários estados? 😱

Procurando na internet descobrimos que na verdade é um teorema.

John Stewart Bell, irlândes de Belfast e nascido em 1928, desde criança se interessava pelas ciências se formando como primeiro da classe em Fisica experimental no ano de 1948 em Queen’s University Belfast. Na mesma universidade, ficou mais um ano como estudante obtendo sua segunda graduação em Matemática da Física, novamente como primeiro da classe. Necessidades econômicas o fizeram adiar os estudos sobre as bases conceituais da teoria quântica para trabalhar no UK Atomic Research Establishment em Harwell no projeto de acelerador. Nesse pojeto conheceu Marie Ross com quem casou em 1954 e foi sua companheira até o dia de sua morte em 1990.

John S. Bell em sala de aula

Na década de 1960, John S. Bell formulou um teorema quântico, baseado na contribuição de variáveis ocultas feita pelo físico teórico Bohm desafiando os estudos de Von Neumann, onde Bell construiu sua própria variável oculta de medição de qualquer componente. Isso permitiu que o experimento fosse mais simples, mais dificil de ignorar e demonstrar mais claramente no que o argumento de Von Neumann estava errado. Para saber mais sobre o teorema de Bell.

Notação de Dirac

Uma das coisas que me intrigava nos meus estudos sobre a computação quântica era não saber que raios de notação era essa: |>. Como se lê isso? Como se pronuncia isso? A pulga se transformou em tartaruga atrás da minha orelha corroendo minha alma e enfim, depois de algum tempo, descobri do que se tratava, era a notação de Dirac. O nosso post de hoje vamos falar sobre ela, como se lê e como representa as operações vetoriais.

Paul Dirac

Na física quântica, o estado físico de um sistema são todas as informações possíveis de se obter dele, podendo ser representado por uma função complexa de onda ou por um vetor de estado contido num espaço vetorial complexo. Porém, sabe-se que a representação de espaços vetoriais em três dimensões de alguns elementos, como os spins, não é possível. Nesse ponto entra o prêmio nobel de física em 1933 e pioneiro da física e mecânica quântica, Paul Dirac.

Ele fundamentou e introduziu os espaços vetoriais complexos chamando-os de kets,  que representam um estado físico da mecânica quântica contendo todas as informações daquele estado. Os kets são representados pelo símbolo “|>” e possuem um elemento dual desse estado chamado bra representado pelo símbolo “<|”. O produto escalar desse estado pode ser representado pelo símbolo “<|>”, sendo denominado de brakets. A notação de Dirac também é conhecida como notação braket.

O braket tem algumas particularidades como:

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

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.

Qubit: O Bit do Lado Quântico da Força

O bit. Sem ele não haveria computadores, smartphones e internet facilitando a nossa vida e o pior… tudo seria um tédio. O dígito binário, ou bit para os íntimos, é a unidade básica da informação permitindo o processamento e armazenamento de dados na computação e comunicação digital, determinando dois possíveis estados para tal fim: 0 ou 1. Esses estados podem ser representados de diversas formas: verdadeiro ou falso, + ou -, ativado ou desativado, cara ou coroa, ying ou yang… ou seja, qualquer atributo que possa assumir apenas 2 valores distintos.

Para a computação quântica poder ser eficiente, ela não pode usar a mesma forma de processamento e armazenamento de dados utilizado na computação clássica. Ela precisa de uma unidade de informação diferente. Então para o lado quântico da força funcionar, da física quântica surgiu o qubit, quantum bit ou bit quântico, como desejarem chamar.

Esfera de Bloch representando um qubit

Pioneiros Quânticos: D-Wave!

A empresa canadense D-Wave é creditada como a primeira empresa a vender computadores quânticos comerciais. Fundada em 1999, com escritórios e laboratórios em Vancouver, Hanover e em Palo Alto, a D-Wave já possui 140 patentes registradas nos Estados Unidos sobre computação quântica, além de ter publicado mais de 90 artigos científicos sobre o tema.

Muitos dos seus artigos estão disponíveis em seu site oficial, e serão alvo de outro post.
Em 2010 a empresa lançou o primeiro computador quântico comercial, o chamado D-Wave One. Em 2013 foi lançado o D-Wave Two, possuindo 512 qubits, segundo a própria D-Wave. Em 2015 foi lançado o D-Wave 2X, com mais de 1000 qubits, segundo a empresa, e finalmente em 2017 foi lançado o D-Wave 2000Q, com 2000 qubits. Através de uma colaboração entre a Google, NASA e a USRA na criação de um laboratório de inteligência artificial chamado QuAIL, um computador quântico da D-Wave foi comprado por um valor que é especulado na casa dos 15 milhões de dólares.

Seguindo um exemplo parecido com o da IBM, é possível acessar o modelo D-Wave 2000Q através da nuvem, recebendo códigos em C/C++, Python e MATLAB. Maiores informações podem ser achadas no site oficial da empresa, neste link. Os computadores da D-Wave também possuem problemas em se manter a baixíssimas temperaturas. Um tour completo, com excelentes explicações pode ser visto nos vídeos que seguem:

Neste primeiro vídeo,  Jeremy Hilton, vice presidente do grupo de desenvolvimento do processador quântico nos demonstra as entranhas do computador quântico da D-Wave, explicando a necessidade de manter o sistema a baixíssimas temperaturas, e livre de influências magnéticas. Para isso, ele possui um sistema de servidores, para se acessar o processador quântico, um sofisticado sistema de refrigeração, o processador quântico propriamente dito, encapsulado por várias camadas e proteções magnéticas e térmicas. As proteções magnéticas se devem ao fato de que os qbits do processador da D-Wave são armazenados via campos magnéticos, notadamente usando os seus spins eletrônicos.

No segundo vídeo, Murray Thom, diretor de serviços profissionais, nos demonstra o processador quântico D-Wave, demonstrando que o sistema de refrigeração possui diversas camadas, descendo em etapas: 300 kelvin, 50 kelvin, 3 kelvin, 0.7 kelvin, 0.1 kelvin e 0.01 kelvin. Essas temperaturas são mais frias do que as achadas no espaço interestelar.

Resenha do livro “Quantum Computers”

O livro “Quantum Computers” de Jon Schiller, lançado em 2009, é um bom estudo para aqueles que querem aprender mais sobre a computação quântica. O livro, unicamente disponível em inglês através da Amazon neste link, traz diversos conhecimentos básicos, e alguns avançados, dentro da temática da computação quântica.

O livro nasceu fruto de uma palestra sobre computação quântica, que o autor assistiu em um seminário no Instituto de Tecnologia da Califórnia, Caltech, que lhe instigou a curiosidade, resultando em uma pesquisa em artigos acadêmicos, e consultas no google, resultando no livro.

O livro está dividido em 9 principais capítulos e 4 apêndices, sendo eles (traduzidos):

– Capítulo 1: Introdução
– Capítulo 2: Como funciona um computador quântico
– Capítulo 3: Linha do tempo e referências a computadores quânticos
– Capítulo 4: Como que os computadores quânticos se diferenciam dos computadores clássicos
– Capítulo 5: Quais problemas pode um computador quântico resolver
– Capítulo 6: Quais perigos existem para a privacidade com computadores quânticos
– Capítulo 7: Como os computadores quânticos armazenam dados
– Capítulo 8: Quando você poderá comprar um computador quântico
– Capítulo 9: Os esforços da IBM na computação quântica

– Apêndice A: – Definições usadas em computação quântica.
– Algoritmos de Shor.

– Apêndice B: – Glossário dos termos da computação quântica
– Emaranhamento
– O princípio da incerteza de Heisenberg
– Qubit

– Apêndice C: – O paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)

– Apêndice D: – As novidades da internet sobre computadores quânticos

Os assuntos e tópicos deste livro serão melhor detalhados posteriormente em futuros posts, como já fizemos neste post, falando sobre as tecnologias empregadas na construção de um computador quântico, com informações deste livro. Este livro é muito rico em diversas informações, porém em alguns pontos ele se aprofunda no aspecto matemático o que poderá afastar alguns leigos do assunto. Em alguns aspectos o livro se encontra datado, por conta das evoluções que aconteceram na área, porém em sua maior parte o livro traz muitos tópicos relevantes e com uma linguagem relativamente acessível, apesar de ser em inglês.

Aguardem os próximos posts em que utilizaremos este livro (e outros) como referência para o estudo deste grandioso e intrigante universo da computação quântica!

Abraços quânticos a todos!

A base da computação quântica: A física Quântica

O físico, espiritualista e esotérico Laércio Fonseca, criou uma série de 4 vídeos em seu canal no youtube, explicando os conceitos básicos da física quântica, que é a base para o entendimento da computação quântica.

• Primeiro vídeo:

No primeiro vídeo é explicado que Planck estudava a radiação eletromagnética e a emissão de energias dessas radiações, quando descobriu que a energia emitida por uma onda eletromagnética, é emitida em pulsos, ou pacotes. Quando um elétron que se encontra em um estado de energia, decai para um estado anterior, emite uma onda eletromagnética, um fóton, e essa energia é diretamente proporcional à frequência do fóton da radiação emitida. Esta radiação eletromagnética se comporta como uma onda, podendo ser descrita por uma onda senoidal. Este pacote de energia emitido foi batizado por Albert Einstein como “quantum”, dando origem ao conceito básico da física quântica.

• Segundo vídeo:

No segundo vídeo, o principio da incerteza de Heisenberg é explicado. Na física clássica, conhecendo-se as condições inicias de um sistema, podemos utilizar equações, sabendo a sua posição inicial, energia envolvida no sistema, os intervalos de tempo, a massa do objeto envolvido e sua velocidade, para determinar o seu comportamento. No entanto, quando tentamos medir a massa, a posição e a velocidade de um elemento quântico, como por exemplo um elétron, não conseguimos ter uma rigorosa precisão e sempre teremos erros ao medirmos os parâmetros desses objetos. No mundo quântico, sempre que tentamos medir a posição e a velocidade de um elemento quântico, como um elétron, nós interferimos nas propriedades destes elementos quânticos, no caso do elétron, e essas interferências comprometem a precisão que encontramos na física clássica, reduzindo-a à probabilidades.

Com isso, o princípio da incerteza de Heisenberg nos diz que a incerteza nas medições, e os erros associados a essas imprecisões nos conduzem a um universo probabilístico de medições e parâmetros. Curiosamente, Einstein era crítico das ideias quânticas.