Vantagem quântica um físico explica o futuro dos computadores

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Vantagem quântica: um físico explica o futuro dos computadores
 (Bartlomiej
Wroblewski/Getty Images)Tradução
A vantagem quântica é o marco para o qual o campo da computação quântica está trabalhando fervorosamente,
onde um computador quântico pode resolver problemas que estão além do alcance dos mais poderosos
computadores não quânticos ou clássicos.
Quantum refere-se à escala de átomos e moléculas onde as leis da física como nós as experimentamos quebram e
um conjunto de leis diferentes e contra-intuitivas se aplicam. Os computadores quânticos aproveitam esses
comportamentos estranhos para resolver problemas.
Existem alguns tipos de problemas que são impraticáveis para os computadores clássicos resolverem, como quebrar
algoritmos de criptografia de última geração. Pesquisas nas últimas décadas mostraram que os computadores
quânticos têm o potencial de resolver alguns desses problemas.
Se um computador quântico pode ser construído que realmente resolve um desses problemas, ele terá demonstrado
vantagem quântica.
Eu sou um físico que estuda o processamento de informações quânticas e o controle de sistemas quânticos.
Acredito que essa fronteira da inovação científica e tecnológica não só promete avanços inovadores na computação,
mas também representa um aumento mais amplo na tecnologia quântica, incluindo avanços significativos em
criptografia quântica e sensoriamento quântico.
A fonte do poder da computação quântica
Central para a computação quântica é o bit quântico, ou qubit. Ao contrário dos bits clássicos, que só podem estar
em estados de 0 ou 1, um qubit pode estar em qualquer estado que é alguma combinação de 0 e 1. Este estado de
apenas 1 ou apenas 0 é conhecido como uma superposição quântica. Com cada qubit adicional, o número de
estados que pode ser representado pelos qubits dobra.
Esta propriedade é muitas vezes confundida com a fonte do poder da computação quântica. Em vez disso, tudo se
resume a uma interação intrincada de superposição, interferência e emaranhamento.
A interferência envolve a manipulação de qubits para que seus estados se combinem construtivamente durante os
cálculos para amplificar soluções corretas e suprimir destrutivamente as respostas erradas.
https://www.sciencealert.com/quantum-computers
https://www.sciencealert.com/quantum-computers
https://www.sciencealert.com/quantum-computers
https://theconversation.com/limits-to-computing-a-computer-scientist-explains-why-even-in-the-age-of-ai-some-problems-are-just-too-difficult-191930
https://www.sciencealert.com/quantum-cryptography
https://scholar.google.com/citations?user=2J2t64gAAAAJ&hl=en
https://quantumatlas.umd.edu/entry/qubit/
https://quantumatlas.umd.edu/entry/superposition/
https://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Quantum+Interference
https://theconversation.com/nobel-winning-quantum-weirdness-undergirds-an-emerging-high-tech-industry-promising-better-ways-of-encrypting-communications-and-imaging-your-body-191929
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A interferência construtiva é o que acontece quando os picos de duas ondas – como ondas sonoras ou ondas do
oceano – se combinam para criar um pico mais alto. A interferência destrutiva é o que acontece quando um pico de
onda e uma calha de onda se combinam e se anulam.
Algoritmos quânticos, que são poucos e difíceis de conceber, configuram uma sequência de padrões de interferência
que produzem a resposta correta para um problema.
O entrelaçamento estabelece uma correlação singularmente quântica entre qubits: o estado de um não pode ser
descrito independentemente dos outros, não importa o quão longe os qubits estejam. Isto é o que Albert Einstein
famosamente descartou como "ação apotoky à distância".
O comportamento coletivo do entrelaçamento, orquestrado através de um computador quântico, permite acelerações
computacionais que estão além do alcance dos computadores clássicos.
https://youtu.be/jHoEjvuPoB8
Os e os zeros – e tudo o que está entre – da computação quântica.
Aplicações da computação quântica
A computação quântica tem uma gama de usos potenciais onde pode superar os computadores clássicos. Na
criptografia, os computadores quânticos representam uma oportunidade e um desafio. Mais notoriamente, eles têm o
potencial de decifrar os algoritmos de criptografia atuais, como o esquema RSA amplamente utilizado.
Uma consequência disso é que os protocolos de criptografia de hoje precisam ser reprojetados para serem
resistentes a futuros ataques quânticos. Este reconhecimento levou ao crescente campo da criptografia pós-
quântica.
Após um longo processo, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia recentemente selecionou quatro algoritmos
resistentes a quantum e iniciou o processo de preparação para que organizações em todo o mundo possam usá-los
em sua tecnologia de criptografia.
Além disso, a computação quântica pode acelerar drasticamente a simulação quântica: a capacidade de prever o
resultado de experimentos que operam no reino quântico. O famoso físico Richard Feynman imaginou essa
possibilidade há mais de 40 anos.
https://www.sciencealert.com/entanglement
https://youtu.be/jHoEjvuPoB8
https://theconversation.com/is-quantum-computing-a-cybersecurity-threat-107411
https://www.britannica.com/topic/RSA-encryption
https://www.nist.gov/programs-projects/post-quantum-cryptography
https://doi.org/10.1007/BF02650179
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A simulação quântica oferece o potencial de avanços consideráveis em química e ciência dos materiais, auxiliando
em áreas como a intrincada modelagem de estruturas moleculares para descoberta de medicamentos e permitindo a
descoberta ou criação de materiais com novas propriedades.
Outro uso da tecnologia da informação quântica é a detecção quântica: detectar e medir propriedades físicas como
energia eletromagnética, gravidade, pressão e temperatura com maior sensibilidade e precisão do que instrumentos
não-quânticos.
O sensoriamento quântico tem uma miríade de aplicações em áreas como monitoramento ambiental, exploração
geológica, imagens médicas e vigilância.
Iniciativas como o desenvolvimento de uma internet quântica que interconecta computadores quânticos são passos
cruciais para a ponte entre os mundos da computação quântica e clássica.
Essa rede pode ser protegida usando protocolos criptográficos quânticos, como a distribuição de chaves quânticas,
que permite canais de comunicação ultra-seguros que são protegidos contra ataques computacionais – incluindo
aqueles que usam computadores quânticos.
Apesar de um conjunto de aplicativos crescente para computação quântica, o desenvolvimento de novos algoritmos
que fazem pleno uso da vantagem quântica – em particular no aprendizado de máquina – continua sendo uma área
crítica de pesquisa em andamento.
Permanecer coerente e superar erros
O campo da computação quântica enfrenta obstáculos significativos no desenvolvimento de hardware e software. Os
computadores quânticos são altamente sensíveis a qualquer interação não intencional com seus ambientes. Isso
leva ao fenômeno da decoerência, onde os qubits rapidamente se degradam para os 0 ou 1 estados dos bits
clássicos.
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.035002
https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=444
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04315-3
https://doi.org/10.1038/s42254-023-00558-3
https://www.defenseone.com/ideas/2022/06/quantum-sensorsunlike-quantum-computersare-already-here/368634/
https://www.sciencealert.com/quantum-cryptography
https://journals.aps.org/prxquantum/pdf/10.1103/PRXQuantum.3.030101
https://images.theconversation.com/files/559489/original/file-20231115-29-uo273g.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip
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Construir sistemas de computação quântica em larga escala capazes de cumprir a promessa de velocidades
quânticas requer a superação da decoerência. A chave é desenvolver métodos eficazes de supressão e correção de
erros quânticos, uma área em que minha própria pesquisa está focada.
Ao navegar nesses desafios, inúmeras startups de hardware e software quântica surgiram ao lado de players bem
estabelecidosda indústria de tecnologia, como Google e IBM.
Esse interesse da indústria, combinado com o investimento significativo de governos em todo o mundo, ressalta um
reconhecimento coletivo do potencial transformador da tecnologia quântica. Essas iniciativas promovem um rico
ecossistema onde a academia e a indústria colaboram, acelerando o progresso no campo.
Vantagem quântica que vem à vista
A computação quântica pode um dia ser tão disruptiva quanto a chegada da IA generativa. Atualmente, o
desenvolvimento da tecnologia de computação quântica está em um momento crucial.
Por um lado, o campo já mostrou sinais iniciais de ter alcançado uma vantagem quântica estreitamente
especializada. Pesquisadores do Google e, mais tarde, uma equipe de pesquisadores na China demonstraram
vantagem quântica para gerar uma lista de números aleatórios com certas propriedades. Minha equipe de pesquisa
demonstrou uma aceleração quântica para um jogo de adivinhação de números aleatórios.
Por outro lado, há um risco tangível de entrar em um "inverno quântico", um período de investimento reduzido se os
resultados práticos não se materializarem no curto prazo.
Embora a indústria de tecnologia esteja trabalhando para oferecer vantagem quântica em produtos e serviços no
curto prazo, a pesquisa acadêmica continua focada em investigar os princípios fundamentais que sustentam essa
nova ciência e tecnologia.
Esta pesquisa básica em curso, alimentada por quadros entusiasmados de alunos novos e brilhantes do tipo que
encontro quase todos os dias, garante que o campo continuará a progredir.
Daniel Lidar, professor de Engenharia Elétrica, Química e Física e Astronomia, Universidade do Sul da Califórnia
Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
http://www.cambridge.org/9780521897877
https://memberservices.theconversation.com/newsletters/?nl=ai
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.180501
https://doi.org/10.1038/s41534-023-00703-x
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.210602
https://theconversation.com/profiles/daniel-lidar-1470217
https://theconversation.com/institutions/university-of-southern-california-1265
https://theconversation.com/
https://theconversation.com/what-is-quantum-advantage-a-quantum-computing-scientist-explains-an-approaching-milestone-marking-the-arrival-of-extremely-powerful-computers-213306