Arquitetura de Computadores Quânticos

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Arquitetura de Computadores Quânticos 
Joel Presciliano
Murilo Mota
Wendel Santiago
SUMÁRIO
MECÂNICA QUÂNTICA
O QUE SÃO COMPUTADORES QUÂNTICOS
LEI DE MOORE
HISTÓRIA DOS COMPUTADORES QUÂNTICOS 
QUBIT
FUNCIONAMENTO DE UM COMPUTADOR QUÂNTICO 
SUPERPOSIÇÃO
EMARANHAMENTO (ENTANGLEMENT)
PROCESSADOR QUÂNTICO 
PORTAS QUÂNTICAS 
VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS COMPUTADORES QUÂNTICOS
ALGORITMO DE SHOR
ARQUITETURA CLÁSSICO X ARQUITETURA QUÂNTICO 
D-WAVE
IBM
REFERÊNCIAS
MECÂNICA QUÂNTICA
A mecânica quântica é a teoria física que obtém sucesso no estudo dos sistemas físicos cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como: moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas.
O QUE SÃO COMPUTADORES QUÂNTICOS
Computador Quântico é uma máquina baseada em princípios da Mecânica Quântica capaz de processar informações de forma absurdamente rápida, corrigindo e decodificando milhões de linhas de código de software em segundos. 
Isso porque a medida de transmissão de dados (ou unidade da informação) do Computador Quântico é uma partícula subatômica (menor do que o átomo) chamada qubit.
LEI DE MOORE
“Estipulado” por Gordon E. Moore em 1965.
A quantidade de transistores dobra a cada 18 meses aproximadamente.
 
HISTÓRIA DOS COMPUTADORES QUÂNTICOS 
1981 - Richard Feynman elaborou a primeira proposta de utilizar um fenômeno quântico para executar rotinas computacionais.
1994 - Peter Shor desenvolveu um algoritmo que permite a um computador quântico fatorar valores inteiros rapidamente.
1996 - É Proposto o primeiro esquema para correção de erro quântico. Isso é uma aproximação a computadores quânticos que podem processar grandes números de qubits por longos períodos de tempo.
QUBIT
É a abreviação de bit quântico.
É uma unidade de informação quântica.
Um qubit pode ser 0, 1, ou uma superposição de ambos.
A forma de encontra o valor de bits em qubit é dada por: 2n
FUNCIONAMENTO DE UM COMPUTADOR QUÂNTICO 
O computador quântico funciona aplicando dois princípios físicos: Superposição e Emaranhamento.
Seu processador é dividido em três partes: Qubit, Couplers e o PMM. 
Suas portas lógicas são: NOT, Hadamard, C-NOT, ZC-NOT
SUPERPOSIÇÃO	
A superposição aplicada aos qubits é o que permite com que essas unidades apresentem os valores de 0,1 e os dois ao mesmo tempo. Tudo é envolvido na probabilidade dos valores, em que o valor buscado no computador será 1 ou 0.
O qubit é o que proporciona aos computadores quânticos os seu paralelismo. Esse paralelismo permite a um computador quântico trabalhar imediatamente com milhões de computações, enquanto os computadores clássicos realizam um por vez. 
EMARANHAMENTO (ENTANGLEMENT)
Outro principio da computação quântica é o emaranhamento, que liga dois ou mais qubits. Esse fenômeno acontece quando dois qubits estão sendo processados em uma mesma operação.
Com isso os qubits podem ser colocados à nanômetros de distância uns dos outros e, ainda assim, permanecerem ligados.
PROCESSADOR QUÂNTICO 
PROCESSADOR QUÂNTICO 
Couplers (Combinadores): interconectam os qubits e forçam a combinação daqueles que estão com dois valores iguais (0-0,1-1) ou valores opostos (1-0,0-1), dependendo do propósito para qual o processador está programado.
Memória magnética programáveis (PMM): esses circuitos ficam nos arredores dos qubits e couplers e agem como endereçadores. A PMM também atua como uma interface de programação que permite manipular o estado dos qubits.
PORTAS QUÂNTICAS 
Porta NOT: Troca o valor de entrada pelo seu oposto.
Porta Hadamard: Transforma estados simples em superposições.
Porta C-NOT: Essa porta atua com mais de um qubit, ela é uma porta controlada, e altera o resultado do segundo qubit se o primeiro for 1.
Porta ZC-NOT: Essa porta atua com mais de um qubit, ela é uma porta controlada, e altera o resultado do segundo qubit se o primeiro for 0.
VANTAGENS DOS COMPUTADORES QUÂNTICOS 
Apresenta maior velocidade de processamento.
Analise e decodificação de chaves criptográficas complexas.
Mais próximo do desenvolvimento de IA.
Capacidade de simular com precisão os modelos climáticos do planeta.
Capacidade de rodar a complexa rede de interações entre substancias no interior do nosso organismo.
DESVANTAGENS DOS COMPUTADORES QUÂNTICOS
Quaisquer mudanças eletromagnéticas ou vibrações, por menores que sejam, fazem com eles percam toda sua capacidade quântica.
Os chips do tipo precisam ser mantidos a uma temperatura próxima do zero absoluto (aproximadamente -273ºC) para funcionar.
Eles são apenas mais rápidos para tipos especiais de cálculos, em que você pode usar todas as superposições disponíveis ao mesmo tempo para realizar alguma computação em paralelismo.
ALGORITMO DE SHOR
Algoritmo utiliza superposição quântica para fatorar números inteiros grandes e reduzir o tempo de solução do problema.
O((log2N)2(log2log2N)(log2log2log2N))
Número de bits a ser fatorado
Tempo de fatoração por algoritmosClássicos
Tempo de fatoração por algoritmodeShor
512
04 dias
34 segundos
1024
100 mil anos
4,5 minutos
2048
100 bilhõesde anos
36 minutos
4096
100quatrilhõesde anos
5,2 horas
Fonte: dropbug, 2017
ARQUITETURA CLÁSSICO X ARQUITETURA QUÂNTICO 
Computadores Clássicos
 
São baseados na arquitetura de Von Neumann.
possui processador e memória separados por um barramento de comunicação. 
O processamento é sequencial, podendo conter desvios condicionais ou incondicionais.
A unidade básica de informação é o bit.
As principais portas lógicas são: AND, OR e NOT.
Computadores Quânticos
Em um computador quântico a unidade básica de informação é o qubit.
Esses computadores funcionam a partir da interação entre os qubits, a partir do principio de superposição, emaranhamento.
Tem um poder de processamento de dados e analise muito maior que os clássicos.
As portas quânticas são: NOT, Hadamard, C-NOT, ZC-NOT.
Para que tenha uma estabilidades quântica, são deixados em temperatura próxima do zero absoluto.
D-WAVE
Empresa Canadense D-Wave em 2007, afirmou ter desenvolvido um computador híbrido chamado Orion que inclui um processador quântico de 16 qubits mas que também processa bits convencionais
D-Wave lançou, em maio de 2011, o 128 qubit D-Wave One e se tornou a primeira empresa no mundo a vender computadores quânticos, tendo teu valor de de 10 milhões de dólares.
Em 2013, D-Wave Two 512-qubit foi utilizado para um projeto de pesquisa colaborativo realizado entre a Nasa, o Google e a Universities Space Research Association (Associação de Pesquisa Espacial Universitária).
Janeiro de 2017 foi lançado o D-Wave 2000Q que pulou de mil qubits para dois mil (seu preço foi estimado ) em 15 milhões de dólares.
D-Wave Two
D-Wave 2000Q
IBM
Durante a Consumer Electronic Show (CES) na data de 08 de janeiro de 2019, a empresa anunciou seu primeiro sistema integrado do tipo, desenhado para uso comercial. Chamado de Q System One, o hardware de 20 qubits de capacidade, foi pensado para operar com um processamento de um volume enorme de informações, fora do ambiente de laboratório.
REFERÊNCIAS 
Nascimento, E. de P. L. N. Arquitetura de Computadores Quânticose Implementação de Portas Lógicas Quânticas em Ambiente 3D. 2015. Artigo (Mestrado - Arquitetura de Computadores) - Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”. 2015. [Orientador: Prof. Dr. Aleardo Manacero Junior]. Acesso em: 13 mai. 2019
Alegretti, F. J. P. Arquiteturas Especiais de Computadores. 2004. Artigo (PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM COMPUTAÇÃO) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 2004. [Orientador: Prof. Philipe Navaux]. Acesso em: 13 mai. 2019
Lavado, Thiago. Computador quântico está à venda: entenda por que se vai ouvir falar cada vez mais dele. Disponível em: https://g1.globo.com/economia/tecnologia/noticia/2019/02/02/computador-quantico-esta-a-venda-entenda-por-que-se-vai-ouvir-falar-cada-vez-mais-dele.ghtml/. Acesso em: 13 de maio, 2019
Nicoliello, Heitor. Introdução à computação quântica. 2009. Disponivel em: http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2009/T2/089041-t2.pdf/ Acesso em: 13 de maio, 2019
https://epocanegocios.globo.com/Tecnologia/noticia/2019/01/ibm-anuncia-o-primeiro-computador-quantico-comercial.html/Acesso em: 18 de maio, 2019
https://projetodraft.com/verbete-draft-o-que-e-computador-quantico/ Acesso em: 18 de maio, 2019
https://www.dwavesys.com/d-wave-two-system/ Acesso em: 18 de maio, 2019
https://engenheironaweb.com/2017/08/08/conheca-o-d-wave-o-computador-quantico-que-vai-revolucionar-o-mundo-como-conhecemos// Acesso em: 18 de maio, 2019
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!