Introdução a computação quântica

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Introdução à Computação Quântica 
 
Matheus de Oliveira Santos - 3919 
Universidade Federal de Viçosa 
matheus.o.santos@ufv.br 
Julho de 2017 
 
 
 
Resumo — Computação clássica que tem como pilar a 
arquitetura de Von Neumann, começa a chegar no seu 
limite de evolução. Em alguns casos certas aplicações não 
são viáveis para rodar na computação clássica, tendo um 
segmento de aplicações que exigem mais recurso, como: IA 
e grandes processamentos de dados. A Computação 
Quântica surge como uma alternativa de atender essas 
necessidades e consequentemente atuar como um natural 
processo evolutivo dos computadores. O intuito desse artigo 
é demonstrar uma introdução à Computação Quântica e 
um pouco de sua aplicação na área de Inteligência Artificial. 
I. INTRODUÇÃO 
 
 Este artigo irá demonstrar uma introdução aos conceitos de 
Computação Quântica, comparando com conceitos da 
Computação Clássica, também demonstrar um pouco de sua 
aplicação na área de Inteligência Artificial. 
II. INÍCIO DA MECÂNICA QUÂNTICA 
 
 Primeira forma de descrever o comportamento mecânico de 
objetos foi com a mecânica clássica (ou mecânica newtoniana), 
em que seu principal objetivo era estabelecer regras da física 
para objetos realizarem algum tipo de movimento. Porém, após 
alguns experimentos foi observado que as leis clássicas não 
eram aplicáveis a objetos extremamente pequenos. [3] 
Após esse acontecido, uma nova teoria que se aplicasse a esses 
tais objetos microscópios teve de ser criada dando início a 
mecânica quântica. Para avaliar em que teoria um objeto se 
encaixa foi necessário estipular uma linha-limite. A linha-limite 
diz que objetos aproximadamente 100 vezes maiores que o 
tamanho de um átomo de hidrogênio se encaixam na mecânica 
clássica, objetos menores que isso encaixam na mecânica 
quântica. [5] 
A Mecânica quântica foi criada por volta da metade do século 
XX, por Albert Einstein, Werner Heisenberg, Max Planck, Louis 
de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Max Born, John von 
Neumann, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Richard Feynman entre 
outros contribuintes que ainda são alvos de investigação. [6] 
 
 
III. INTRODUÇÃO A COMPUTAÇÃO QUÂNTICA 
 
Em 1939 foi apresentado por Turing o termo 
Hipercomputação, que representaria certas funções que 
existiam apenas na teoria, por tanto na prática não poderiam ser 
implementados. Então a partir desse evento tal termo ficou 
relacionado com estudo de modelos computacionais que são 
concebíveis, e são uma alternativa ao modelo usual da máquina 
de Turing[5]. 
Pode-se ter dentre os modelos, alguns exemplos de 
Hipercomputação, como: 
• Computação com DNA. 
• Comutação Membrânica. 
• Computação Quântica. 
E nos dias atuais esses modelos ainda são tidos como 
ficção matemática, porém tem como possível exceção que é a 
computação quântica[5]. 
IV. A ESTRUTURA DA COMPUTAÇÃO QUÂNTICA 
A Mecânica Quântica permite que a partícula assuma duas 
fases ao mesmo tempo. Para exemplificação dessa tese é usado 
uma famosa metáfora conhecida como o gato de Schrödinger 
que foi desenvolvida por Erwin Schrödinger em 1935 que 
basicamente propõem um ambiente em que permite um gato 
estar vivo e morto ao mesmo tempo [9], ou seja, o gato pode 
estar em duas fases ao mesmo tempo, sendo um “morto-vivo”. 
A capacidade de estar em dois estados de forma simultânea é 
chamado superposição. 
Tem- se em computação clássica, memórias feitas de bits, 
sendo a cada bit pode-se armazenar os valores de “0” ou “1” 
para criação da informação. Já a Computação Quântica utiliza 
de uma unidade de informação quântica, nomeada de qubit (bit 
quântico).[1] O qubit basicamente pode receber os mesmos 
valores de “0” ou “1” porém ele pode assumir esses dois estados 
ao mesmo tempo. O computador quântico trabalha 
manipulando esses qubits.[3] 
É possível construir computadores quânticos, com átomos 
que variam de excitados e não excitados ao mesmo tempo, ou 
prótons, nêutrons e fótons que podem estar em dois lugares ao 
mesmo tempo, ou elétrons que variam dos seus estados de spin 
podendo ser “para cima” ou “para baixo” ao mesmo tempo e 
consegue velocidades próximas a da luz. [10] 
Os qubits podem apresentar diferentes valores ao mesmo 
tempo chamado de “relação fásica”, isso aumenta 
exponencialmente a velocidade computacionais. O maior 
problema acaba surgindo quando qubit se mantem em valores 
diferentes, e eles acabam sendo forçados a permanecer em uma 
fase por vez, o que acarreta em lentidão e desaceleração do 
processo. O computador quântico deve-se prevenir de erros 
para o funcionamento correto da máquina, que mantem seu 
funcionamento sempre em altas velocidades. [10] 
Já era possível a detecção do erro, mas não sua correção 
simultaneamente, então a IBM resolveu esse problema após a 
criação de um sistema que detecta o bit defeituoso, e consegue 
corrigir automaticamente a informação que não funciona como 
o planejado. A solução encontrada pode ser o caminho para que 
os processadores quânticos sejam produzidos de forma efetiva 
e em larga escala, e quando isso acontecer estarão presenciando 
um novo tipo de computador. [3] 
 
 
 
V. REPRESENTAÇÃO 3D DE UM QUBIT 
 
Um qubit pode ser visualizado em 3D (três dimensões). 
Chamado de esfera de Bloch. É possível expressar 
genericamente o estado de um qubit[5] 
 |ψ〉= cos θ/2|0〉+ e^iφ senθ/2|1>, os ângulos θ e φ são 
utilizados para representação dos pontos na esfera.[5] 
 
 
Figura 1: Representação do qubit em 3d (Esfera de Bloch) 
 
VI. PODER DE UM COMPUTADOR QUÂNTICO 
 
Um exemplo dado quando se demonstra o poder de um 
computador quântico, geralmente é localização de fatores 
primos de um número grande, se feita em um computador 
comum isso pode demorar bastante tempo, computadores 
quânticos resolveriam esse problema com facilidade 
gastando apenas 2n qubits, em que n é a quantidade de bits 
de um número quando transformado para binário, e assim 
poderá encontrar todos os seus fatores. [10] 
Outro exemplo interessante, está ligado a resolução do 
problema chamado logaritmo discreto. A resolução sugere 
que a maioria dos meios de criptografia atuais mais 
modernos podem ser quebrados sem muita dificuldade. Para 
proteger o sistema de criptografia do tipo RSA 
(Considerado um dos mais seguros e até os dias atuas 
continua inquebrável), teria que tornar a chave maior que o 
maior computador quântico que pudesse ser construído[5]. 
Entretanto, é mais provável que computadores clássicos 
com bits sempre terão números maiores que a quantidade de 
qubits em computadores quântico, consequentemente, 
garantido uma segurança momentânea para RSA. [10] 
Um computador quântico criado na base de prótons e 
neutros de uma molécula, teria um tamanho pequeno até 
mesmo para ser visto, enquanto computadores clássicos se 
quisessem um processamento que daria conta do recado, 
teria um tamanho “maior que o universo conhecido” (Para 
cálculo de fatoração por exemplo). [10] 
As aplicações em que foram encontradas maiores 
vantagens na computação quântica até o momento ainda são 
limitadas em: Fatoração, simulações de física quântica e 
logaritmo discretos. 
Outro exemplo é a busca por encontrar uma senha de 
para descriptografia: 
• Resolver chutando respostas e verificando. 
• Existem n respostas para verificação 
• Toda resposta candidata ainda gasta tempo de 
verificação. 
• Verificar de forma ordenada ou de forma 
aleatória apresentam a mesma eficiência. 
 
Enquanto computadores convencionais gastariam cerca 
de n/2 tentativas para encontrar a resposta, computadores 
quânticos seriam proporcionais a raiz quadrada de naproximadamente. Podendo encurtar problemas de anos em 
segundos. [10] 
Ainda não são muitos exemplos em que a computação 
quântica é expressivamente mais rápida que a computação 
clássica, novos problemas devem ir aparecendo com o avanço 
das pesquisas. 
 
VII. D-WAVE 
 
A D-wave é uma empresa canadense fundada em 
1999, que mantem seu foco em computação quântica, e afirma 
ter produzido o primeiro computador quântico e comercial do 
mundo. Chamado D-Wave One, com 128 qubits. Entretanto, ele 
é um hibrido entre a computação quântica e a clássica, é 
resfriado por hélio liquido, que consegue chegar próximo do 
zero absoluto (é de extrema importância temperaturas 
extremamente próximas do zero absoluto para o funcionamento 
da computação quântica). [7] 
 
• Em 2013 laçou D-Wave Two, de 512 qubits. 
 
• Em 2017 a D- Wave anunciou o D-Wave 2000Q.[8] 
 
• Em alguns testes os computadores da D-Wave se 
demostrou ser cerca de 3,6 vezes mais rápido que 
computadores convencionais. [4] 
 
 
Figura 2: Demonstração da D-Wave 2000q[8] 
 
A D-Wave continua trabalhando em projetos para aumentar 
cada vez mais o número de qubits. Preços desse tipo de máquina 
variam na casa dos $15 milhões. [7] 
 
VIII. INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL 
 
Também conhecido como IA, como o nome diz é um tipo 
de inteligência que é representada através de algoritmos. A 
inteligência artificial busca criar um sistema em que consiga 
evoluir com as novas informações inseridas e que consiga tomar 
decisões de forma precisa e rápida. 
A IA não se contenta apenas em solucionar decisões 
comuns, busca se destacar dentre os humanos conseguindo 
cálculos e respostas que não podem ser dados de imediato por 
um Humano. 
Com a chegada dos computadores mais modernos, criou-se 
um espaço que iria permitir a evolução dessa tecnologia, antes 
sistemas com IA eram de simples cálculos, hoje entra-se em 
uma era em que a IA envolve análise e síntese da voz, lógica 
difusa, redes neurais artificiais e muitas outras. [4] 
Tem-se duas propostas para IA: 
• IA Forte: aborda nessa classe, a IA que tem um 
raciocínio próprio tendo a capacidade de resolver 
problemas de forma independente, é chamada de 
autoconsciente. Porem a IA forte apresenta muitos 
problemas na questão de sua aplicação, como conviver 
com um sistema que tem consciência raciocínio e se 
cognitivamente diferenciado dos humanos. 
• A IA Fraca: É o tipo de sistema que é capaz de resolver 
problemas, dá a impressão de ser uma entidade 
inteligente porem não é capaz de raciocinar, não 
possui autoconsciência, suas repostas se baseiam em 
algo previamente determinado. 
 
IX. EXEMPLOS DE INTELIGÊNCIA ARTIFICAL 
 
A seguir descrito a baixo alguns exemplos de 
aplicação da inteligência artificial: 
• Planejamento Automatizado: NASA usou o 
Remot Agent que controlava o 
escalonamento de operações de uma nave 
espacial. Gerava planos de metas a partir do 
solo fazendo o monitoramento da nave 
espacial a medida que evoluía o processo. É 
capaz de diagnosticar, resolver problemas à 
medida em que aconteciam. [11] 
• Diagnóstico: programas médicos de 
diagnósticos que eram baseados em analise e 
probabilidade, é capaz de chegar a 
conclusões precisas assim como um médico 
especialista. Em que o sistema demonstrava 
até mesmo como ele chegou no diagnóstico. 
[11] 
• Sistemas para álgebra computacional: Como 
Mathematica e o Macsymia, que são 
exemplos dessa aplicação. 
• Redes Neurais: É uma aplicação nova que 
vem ganhado espaço pelo seu potencial, 
basicamente o sistema cria n redes neurais 
que vão se conectando de camada de redes 
para camadas de redes, e consegue n repostas, 
então filtra para ver qual a melhor reposta e 
consequentemente a melhor ligação de rede 
neural. [12] 
• Jogos: Nos dias atuais, existem jogos mais 
complexos, que requerem uma IA mais 
profunda e mais orgânica, e a tentativa de 
trazer para o jogador, algo mais realístico e 
“vivo”. 
 
Com a capacidade de tomada de decisão mais baseada, 
a tendência é a IA ser aplicada em larga escala ao longo dos 
anos. 
 
X. COMPUTAÇÃO QUÂNTICA E INTELIGÊNCIA ATTIFICIAL 
 
 Com o avanço das tecnologias de IA, poderá conseguir 
ver que em muitas aplicações os computadores 
convencionais advindos da arquitetura de Von Neumann, 
não são mais, o suficiente para conseguir um processamento 
que seja viável de utilizar. Ve-se que a computação clássica 
não terá uma evolução tão grande que será capaz de suportar 
novos tipos de processamento, então a criação e 
desenvolvimento de computação quântica pode abrir portas 
para esses sistemas tidos como “inviáveis” consigam ser 
aplicados. 
 Não somente para aplicação da IA, mas outros 
exemplos citados anteriormente como: Fatoração, 
logaritmos discretos, criptografia, buscas em listas 
desordenadas e simulação de problemas da Física Quântica. 
 A computação quântica e IA parecem ser uma 
combinação perfeita, exemplos como de rede neurais e 
tomada de decisões poderiam ser muito mais precisos e mais 
rápido, além de analisarem mais fatores que vão certamente 
influenciar na resposta. 
 Computadores quânticos não usam de portas lógicas 
para descoberta da melhor resposta, e sim de um processo 
nomeado quantum annealing que busca a resposta através do 
menor número de energia gerada pelos bits quânticos. [4] 
 Sistemas que se tem hoje de cálculo de rotas e previsão 
de profundidade de área demarcada, iriam alcançar 
proporções enormes e sempre com mais alto nível de 
precisão. [4] 
 Portanto Sistemas de inteligência Artificial são 
complexos de serem programados, e a programação na 
computação quântica é algo bem mais complexo que em 
computadores convencionais, então ainda a todo o estudo 
para como implementar esses sistemas até mesmo antes de 
cria-los. 
XI. PROBLEMAS QUE PODEM SER GERADOS PELA 
COMPUTAÇÃO QUÂNTICA. 
 
Sabe-se a capacidade que a computação quântica pode 
chegar, e isso nos traz também uma insegurança, com tanto 
“poder” tudo que se conhece hoje, como medidas de 
segurança poderiam ser facilmente burlados, e a privacidade 
e segurança digital pode ser fortemente atingida. Ainda é 
cedo para ver o computador quântico sendo altamente 
funcional, porém os perigos que essa tecnologia pode trazer 
para a sociedade devem ser discutidos. 
Certamente novas regras digitais e novos sistemas de 
segurança devem ser feitos em cima dessa evolução, 
portanto é de extrema importância que antes que aconteça 
qualquer mudança todo o padrão de segurança esteja bem 
definido e implementado. 
 
XII. CONCLUSÃO 
É possível perceber que a computação quântica pode nos 
trazer todo um novo mundo tecnológico, pode entregar mais 
conhecimento e precisão nos cálculos e tomadas de decisão, 
é possível também ver que essa tecnologia estará ligada as 
principais descobertas do futuro, talvez não tão distante, pois 
já consegue-se ver algumas aplicações em que a mesma pode 
ser usada. 
 Tecnologias como da inteligência artificial podem ser 
apontadas facilmente, não só como o futuro, mas também 
como o presente, não se sabe ao certo as limitações que uma 
IA pode chegar em um computador quântico, e ainda nem se 
tem ideia de todos os campos que podem ser aplicados, 
porém é possível ver um leque de aberturas a serem 
exploradas. 
 Segurança deve prevalecer com a inovação dessas 
tecnologias, requerem-se cálculos mais precisos com maior 
confiabilidade, mas acima de tudo, que a segurança digital 
seja determinada desde o momento de transição de 
computadores convencionais para quânticos. 
REFERÊNCIAS. 
[1] Nicoliello, Heitor. "Introdução à computação quântica." 
(2009). Disponível em:<http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2009/T2/0
89041-t2.pdf> 
 
[2] Brumatto, Amilton. "Introdução à computação quântica." 
Disponível em: 
<http://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2010/T2/0
96389-t2.pdf> 
[3] Navaux, Philipe. "Computação Quântica." Disponível em: 
<http://prof.facom.ufms. 
br/~marco/cquantica/cquantica.pdf> 
 
[4] de Oliveira, A. C., Menoni, O. J., Longhi, J., dos Santos, J. 
M., & Paulo, K. C. S. Estudos de Inteligência Artificial 
usando Computadores Quânticos. Disponível em : 
<http://sbmac.locaweb.com.br/cmacs/cmac-se/20 
13/trabalhos/PDF/4569.pdf> 
 
[5] Vignatti, André Luıs, Francisco Summa Netto, and Luiz 
Fernando Bittencourt. "Uma introdução à computação 
quântica." Departamento de Informática. UFPR (2004). 
Disponível em: < 
http://www.inf.ufpr.br/vignatti/downloads/tg.pdf > 
 
[6] Winkipedia, Mecânica Quântica” Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A2nica_qu%C3
%A2ntica> 
 
[7] Winkipedia, “D-Wave” Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/D-Wave>. 
 
[8] D-Wave, “D-Wave Announces D-Wave 2000Q Quantum 
Computer and First System Order” Disponivel em : 
<https://www.dwavesys.c om/press-releases/d-
wave%C2%A0announ ces%C2%A0d-wave-2000q-
quantum-computer-and-first-system-order> 
 
[9] Winkipedia, “Erwin Schrödinger” Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Erwin 
_Schr%C3%B6dinger> 
 
[10] Winkipedia, “Computador Quântico” Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Computador_qu%C3%A2n
tico> 
 
 
[11] Winkipedia, “Inteligência Artificial” ,Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/w 
iki/Intelig%C3%AAncia_artificial#Cibern.C3.A9tica_e_s
imula.C3.A7.C3.A3o_cerebral> 
[12] Portugal, Marcelo S., and Luiz Gustavo L. Fernandes. 
"Redes neurais artificiais e previsão de séries econômicas: 
uma introdução." Nova Economia 6.1 (1996): 51-73. 
Disponível em: : <http://www8.ufr 
gs.br/ppge/pcientifica/1995_01.pdf>