Computadores Quânticos finalizado

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DEBORA BARBOSA DA CRUZ 
NATÁLIA RODRIGUES 
RHALFF VICTOR 
WANDERSON BASTISTA 
WESLEY RAMOS BARBOSA 
 
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS 
CURSO SUPERIOR EM TECNOLOGIA EM REDES DE COMPUTADORES 
METADOLOGIA CIENTIFÍCA 
 
Computadores Quânticos 
 o futuro da computação 
PIRES DO RIO-GO 
2017 
 
Sumário 
RESUMO 
 
INTRODUÇÃO 
 
1. Princípio da superposição e os qubits 
2. Entrelaçamento e memória 
3. Portas lógicas de processamento 
1. Portas logicas de computadores digitais 
2. Portas logicas de computadores quânticos 
4. ALGORITMOS QUÂNTICOS 
1. Algoritmo de Grover 
2. Algoritmo de Deutsch 
5. Criptografia 
6. Construção de processadores quânticos 
 
Conclusão 
 
Referências 
 
Resumo 
O artigo tem por objetivo apresentar vários aspectos importante sobre a computação quântica contudo 
isso ela esta evoluindo, a tecnologia esta melhorando dia após dia, ela e uma área bastante complexa 
onde evolve muita parte logica, como por exemplo a física, a matemática, pois nela expressa os 
números binários que e a linguagem do computador, onde envolve os algoritmos, portas logicas 
quânticas. Nota-se que também possui um ambiente 3D nas portas logicas, dando um melhor 
entendimento no desenvolvimento dos algoritmos quânticos, os computadores quânticos também 
executa cálculos diretamente. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Ambiente 3D, Portas logicas, Algoritmos quânticos, Números binários. 
 
Abstract 
 
 
The article aims to present several important aspects of quantum computing, but this is evolving, 
technology is improving day by day, it is a very complex area where it evolves much of the logic, such 
as physics, mathematics, because in it Expresses the binary numbers that is the language of the 
computer, where it involves the algorithms, quantum logic gates. Note also that it has a 3D 
environment in the logic ports, giving a better understanding in the development of algorithms, 
quantum computers also perform calculations directly. 
 
KEYWORDS: 3D Environment, Logical Ports, Quantum Algorithms, Binary Numbers. 
 
 
INTRODUÇÃO 
 A computação vem passando por grandes avanços no quesito processamento, os primeiros 
modos de processamentos vieram de aparelhos mecânico ( os computadores mecânicos), depois 
vieram os fusíveis que eram grande, esquentavam muito, e gastavam muita energia, além de terem 
vida curta, neste período surgiu os transistores que utilizamos até hoje. 
 No início da utilização dos transistores eram necessários 1019, átomos para informar um 
único bits ( a menor unidade de informação). Mas em 1965 Gordon Moore, o Coofundador da Intel, 
que na época ainda era o diretor do laboratório de pesquisa e desenvolvimento da divisão de 
semicondutores de uma empresa estadunidense de tecnologia chamada de fairchild camera and 
instruments corporation, que foi a pioneira a produção dos primeiro circuitos integrados 
comercialmente. Em 19 de abril de 1965, Gordon Moore, publicou um trabalho que ficaria 
conhecido por Lei de Moore por sua extraordinária previsão sobre o futuro dos circuitos integrados, 
ele sugeriu que o número de transistores que cabem num circuito integrado dobraria a cada ano,que 
os custos de manufatura desses transistores cairiam a medida que mais componentes desse tipo 
fossem integrados ao circuito, e que a velocidade de processamento aumentaria. De certo modo 
essa afirmação dura até hoje mesmo não sendo os 12 meses, mas sim 18, pelas as contas realizadas 
diz que entre 2020 a 2030 um bits será representado por um átomo. 
 
 Mas encontramos um problema em criar em escala atômica, e que as leis clássicas da física não 
funcionam. Esse seria o fim da evolução dos processadores se os cientistas não desenvolvessem um 
novo modo de processadores. Um dos maiores problema em informação em escala atômica e a 
chamada superposição, onde uma átomo ou partícula poder está em dos estados ao mesmo tempo, os 
cientistas tiveram a idéia de usar esse efeito ao seu favor, utilizando a superposição para pode cria 
processadores com um velocidade inimagináveis, mas essa tecnologia só existe por enquanto na 
teoria, os pré-requisitos para o desenvolvimento de um computador quânticos e pouco conhecida, já 
que estamos dando os primeiros passos nessa área . Mas ser a construção desse tipo de computadores 
forem viável teríamos computadores com processamento que seria necessário rever toda nossa idéia 
de segurança de informação, pois segundo o algoritmo de Shor o maior problema seria a segurança 
de dados, pois esses computadores teria potência de quebra qualquer codificação de dados, teríamos 
que cria novas portas lógicas para atende a saída de tanto dados, e além de resolvemos problema 
sobe a superposição. 
Além das portas lógicas utilizadas hoje, não serem compatíveis com as dos computadores quânticos, 
pois as portas digitais saem apenas um resultado, enquanto a porta quântica saírem centenas de uma 
única vez, mas com isso a computação quântica poderá ser aplicada à criptografia 
(transmissão segura de dados), a buscas mais eficientes 
em bancos de dados (Internet), à aceleração do processamento dos computadores, à transmissão de 
informação a distância (teletransporte). Por essas razões, a umas só tempo práticas e teóricas, a 
computação quântica e sua irmã, a teoria da informação quântica, têm atraído atenção e 
investimentos de grandes empresas como a IBM (International Business Machines Corporation) 
e das universidades. 
1. Princípio da superposição e os qubits 
 
“Quem afirmar que entendeu a Mecânica Quântica está mentindo” (Richard Feynman). 
“Mecânica Quântica: Matemática com Magia Negra” (Albert Einstein). 
 
 A mecânica quântica vem evoluindo nos últimos 30 anos, e consequentemente ficando mas complexa, 
nos seres humanos durante centenas ou milhares de anos nos acostumamos a ver e defini leis para o mundo 
macroscópicos, mas com o surgimento do mundo microscópio passamos a duvida de coisas que eram absoluta 
para nós, como questão de tempo, espaço entre outras. Muitas dessas leis que regem nosso mundo não ser aplicar 
no mundo microscópio, onde as leis desse mundo não ser aplicam no nosso cotidiano. 
 Como os transistores foram ficando cada vez menores, os cientista teria de inventar algo para substituir 
eles, Visando esse problema a apenas 20 anos atrás, um físico do laboratório nacional de argonne, Paul Benioff, 
creditado como a primeira pessoa a aplicar a teoria quântica a computação em 1981 ele idealizou a criação de uma 
maquina de Turing quântica, computadores atuais e baseados na teoria de Turing, onde uma fita e dividida em 
quadrados contendo 1 ou 0 que seria a menor forma de processamento, desse modo ele podia criar sequência 
lógica e colocá-la para ser utilizada, no sistema lógico da maquina, na época era utilizados fusíveis enormes, para 
quando ele estava ligado 1 e desligado 0. 
 Com dito antes os nas maquinas de Turing e utilizado os bits, as menores unidades de computação que 
pode ser 1(ligado) ou 0 ( desligado), nos computadores quânticas eles funcionariam com os qubits que são os bits 
quânticos, neles o bits estariam em estado de superposição quântica, um único bit seria 1 e 0 ao mesmo tempo. De 
acordo com o físico David Deutsch, esse paralelismo e o que possibilita a realização de bilhões de cálculos 
simultaneamente, por isso a unidade de processamento foi camada de qubits¸ só que o problema dos qubits e que 
eles não pode ser observados pois seriam obrigados a escolher um estado, e isso os tornaria em computadores 
tradicionais, so para ter uma idéia os um computador quântico de 30 qubits deve igualar a potência de um 
computador convencional a 10 teraflops (trilhões de operações de ponto flutuante por segundo). Oscomputadores 
pessoais de hoje rodam a velocidades medidas em gigaflops (bilhões de operações de ponto flutuante por 
segundo). 
 Mas para que seria necessário um computador quântico quando os computadores digitais já são tão 
complexos, . Em 11111 o engenheiro da computação Howard Aiken disse que bastariam seis computadores 
digitais eletrônicos para satisfazer a necessidade dos Estados Unidos, mas foi uma previsão que não ser concluiu, 
pois ele não levou em contar o avanço das ciências, pesquisas, e a Internet, o que e preciso de grande poder de 
processamento. Então os computadores quânticos seria saída desse problema. 
 
 
2. Entanglement 
 “O fato de um corpo poder atuar à distância sobre o outro, através do vácuo, sem a 
intermediação de nada é para mim um absurdo tão grande que acredito que nenhum homem com 
capacidade filosófica de pensamento possa aceitar” (Isaac Newton) 
 “Quem não se chocar com a Mecânica Quântica é porque não a compreendeu” (Niels 
Bohr) 
 Um problema de se cria um computador quântico e a falta de possibilidade de olhar o 
sistema, os qubits só possuem a propriedade de superposição quando não observado, se tentamos 
observá-la os qubits ser tornariam simples bits e o computador quântico viraria um simples 
computador digital, uma possibilidade de contornar esse efeito seria usando outra lei do mundo 
quântico a lei de entanglement, no mundo quântico quando você aplicar uma quantidade de força 
para sincronia duas partículas mesmo estando longe, podemos usa esse efeito para sincronizar dois 
qubits, um dentro do sistema fechado e um em um local onde pode se analisado, isso nós 
possibilitaria visualiza as possibilidades e a armazena - lá, mas para isso eles teriam que possuir ma 
quantidade de memória gigante para guarda todos os dados processados, ou um sistema ou 
programa que analisa todos os casos e exclua as possibilidades que não são necessária para a 
atividade. 
 
 
 3. Portas lógicas de processamento 
 Todos os computadores possuem portas lógicas de processamento onde está possuem 
entrada e saída, os de entrada servem para inserir os dados, já a de saída serve para saída dos 
dados, esse modelo de portas e usado em computadores tanto digital quanto quânticos, mas a 
pequenas diferenças entre ela, teremos que ver sobre as portas lógicas digitais para podemos 
compreender as portas quânticas. 
 
3.1 Portas lógicas de computadores digitais. 
 
 Portas lógicas ou circuitos lógicos, são dispositivos que operam um ou mais sinais 
lógicos de entrada para produzir uma e somente uma saída, dependente da função 
implementada no circuito. As portas lógicas mais usadas são: AND, OR e NOT. 
 
*A porta AND tem como resultado verdadeiro apenas se as duas entradas forem verdadeiras, 
 
 
 
 
 
 
*A porta OR tem como resultado verdadeiro se alguma das duas entradas for verdadeira, 
 
*A porta NOT troca o valor da entrada 
3.2 Portas lógicas de computadores Quânticas 
 
 As portas quânticas diferente das portas lógicas clássicas precisam de mais 
valores de saída, não apenas um, porque com os estados em entanglement precisamos medir 
todos os qubits. As portas quânticas são matrizes unitárias, ou seja, elas são reversíveis, uma 
matriz reversível quer dizer que uma matriz multiplicada pela sua transposta resulta na 
própria matriz, salvando assim o resultado dos qubits. 
Existem portas quânticas que operam com apenas um qubit e portas quânticas que operam 
com mais qubits. 
4. ALGORITMOS QUÂNTICOS 
 
 Nesse capítulo serão apresentados alguns algoritmos quânticos, usando 
as portas lógicas vistas anteriormente. 
 
4.1 Algoritmos de Deutsch 
 
 Esse foi o primeiro algoritmo onde foi mostrado que um computador 
quântico tem vantagem em um computador clássico. O problema de Deutsch 
consiste em saber se determinada função f(x) é constante ou balanceada, uma 
função constante é quando f(x) é igual para qualquer x, e uma função 
balanceada é quando f(x) é diferente [3], 
 
4.2 Algoritmos de Grover 
 
 O Algoritmo de Grover é usado para busca de dados. Atualmente um 
algoritmo de busca em listas desordenadas possui a complexidade de O(n), o 
algoritmo de Grover consegue realizar buscas em listas desordenadas com 
complexidade de o (√x). 
 O Algoritmo inverte o sinal do qubit quando f(qubit) = 1, e não altera 
o qubit se f(qubit) = 0. 
5. CRIPTOGRAFIA 
 
 A criptografia é a criação de mensagens mensagem, os gregos e romanos já 
utilizavam dessa habilidade há aproximadamente 2500 atrás, mas ela ganhou mais 2 Guerra 
Mundial, quando os alemães criaram um a máquina de criptografia chamada de Enigma na 
época os alemães estavam ganhando a guerra , mas um rádio transmissor dos nazista foram 
interceptado, mas ela totalmente inútil, pois os aliados não tinha a chave para criptografia. Mas 
os ingleses foram capaz de decifra a mensagem graça a criação de um computador chamado de 
Colossus, que teve participação de Alan Turing ( o pai da computação) um dos responsável por 
tal feito. A criptografia envolve três ingredientes básicos: as partes que desejam se comunicar 
em segredo, a chave criptográfica e o protocolo para codificação e decodificação da mensagem. 
O transmissor da mensagem deve utilizar a chave criptográfica e o protocolo de codificação 
para codificar a mensagem. O receptor deve fazer a operação inversa, mas para isso deve 
conhecer a chave criptográfica. Então para outra pessoa que esteja interessado na mensagem 
precisaria da mesma chave de codificação. Então a única falha e o vazamento de informação da 
chave. 
 Até a década de 1970 utilizava-se um sistema chamado de criptografia de chave 
privada, no qual somente as partes comunicantes conhecem a chave secreta, esse sistema e 
bastante seguro contando que a chave fique em segurança. Depois foi inventado o sistema de 
chave pública RSA (de Rivest-Shamir-Adleman). O RSA funciona com uma chave 
criptográfica de duas partes: uma pública e outra secreta. A chave secreta permanece somente 
com o receptor da mensagem. A segurança desse sistema baseia-se na fatoração de números 
grandes, um problema de complexidade computacional exponencial. Fatorar um número com 
2048 bits tomaria alguns milhões de anos em um computador clássico. 
 
 Mas em 1993 Peter Shor propôs um algoritmo, Shor trabalhava na empresa 
AT&T e desenvolvia pesquisas que apontavam vantagens dos computadores quânticos 
em relação à máquina de Turing, ele formulou um algoritmo quântico, que permitia 
decompor um número com muitos algarismos em seus fatores primos. O detalhe 
fundamental é que o algoritmo de Shor realiza essa tarefa em tempos muitos menores 
do que os gastos por algoritmos clássicos. 
 Notamos ainda que, os sistemas criptográficos de segurança baseados em 
chave pública ficarão totalmente obsoletos a partir do momento em que o primeiro 
computador quântico iniciar o seu funcionamento, mas em 1984 foi descoberto por Charles 
Bennett e Gilles Brossard um protocolo quântico para a distribuição de chaves criptográficas 
provadamente seguro: o BB84. Ele se baseia sobre propriedades de estados não-ortogonais. 
 
6. CONSTRUÇÃO DE PROCESSADORES QUÂNTICOS 
 
 
Os processadores quânticos foram idealizado a aproximadamente 20 anos, e só passou a ser 
um opção quando os processadores de transistores quase chegaram ao seu limite, por causa 
disso não e decidido qual e a melhor forma de construção deles, mas um desses modo seria a 
construção de chips supercondutores, que atuam em uma temperatura muito baixa para operar 
com átomos do metal supercondutor. Em 2011 foi construído o primeiro computador 
quântico, ele foiconstruído apenas para pesquisa. seu processamento é muito limitado e 
consegue executar poucas tarefas. O preço desse computador é de U$$ 10.000.000,00. Ele 
possui 128 qubits e é mantido em um sistema criogênio, blindado em um espaço de 10m2, 
conseguindo uma temperatura de -272.98 ºC. E se chama D-Wave 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 CONCLUSÃO 
 
O computador quântico está começado a sair só da teoria e toma forma, mas ainda tem 
vários problemas antes que esse computador possa existe com todo seu potência, além 
de terem um preço estimado astronômico, mas teria muita utilidade, evidentemente não 
seria disponível para qualquer um, seria apenas utilizados por grandes empresas e 
instituições que fazer pesquisas ou simulados, e ainda temos a segurança, com um 
computador desse nível seria necessária revê nossa segurança digital pois com ele nada 
seria seguro. 
 Mas caso ele seja viável, teríamos um mundo novo na informática mesmo já existido 
teoricamente os Algoritmos de Deutsch e Algoritmo de Grover seria um novo mundo na 
programação, mas atualmente isso e só um sonho, ninguém sabe quando teremos 
domínio nessa área talvez daqui 10 ou 100, impossível de saber. 
 Mas podemos concluir que a evolução causada pelo seu desenvolvimento, afetaria toda a 
sociedade, poderia ser feito vários tipos de simulações para a compreensão de algum 
efeito físico, podia ser testado a combinação de milhões de substância na química e 
medicina, na engenharia ao todo seria beneficiada, teríamos uma nova sociedade. 
 
REFERÊNCIAS 
 
 
[1] ARRUDA, L. G. E. Computação quântica baseada em medidas projetivas em sistemas 
quânticos abertos. Tese (Doutorado – Programa de Pós-graduação em Física – Área de 
Concentração: Física Básica) – Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo. 
2011. 
[2] MENDONÇA, P. E. M. F. Estudos de portas lógicas quânticas de dois qubits definidas em um 
subespaço livre de coerência para um sistema de quatro qubits acoplados ao resto do universo por 
um agente degenerado. Dissertação 
(Mestrado – Programa de Pós-Graduação em Física) – Instituto de Física de São Carlos da 
Universidade de São Paulo. 2004. 
[3] CABRAL, G; LIMA, A; LULA, B. Interpretando o algoritmo de Deutsch no interferômetro de 
Mach-Zehnder. Revista Brasileira de Ensino de Física v.26, n.2, p. 109 - 116, (2004). 
[4] SERGUEI V. ULYANOV, FABIO GHISI, SERGUEI A. PANFILOV, VIKTOR S. ULYANOV, 
ICHIRO KURAWAKI, LUDMILA LITVINTSEVA. SIMULATION OF QUANTUM 
ALGORITHMS ON CLASSICAL COMPUTERS. 1999.