Computação quântica

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COMPUTAÇÃO QUÂNTICA 
Ademar Crotti Junior​1​, Ana Paula Biz​1​, Ana Paula Scotti​1​, Daniel Pezzi da 
Cunha​2 
1​Acadêmico(a) do curso de Ciência da 
Computação 
2​Professor do curso de Ciência da 
Computação 
Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC) – Criciúma/SC – 
Brasil 
jcrotti@gmail.com, anah.sour@gmail.com, anapaulabiz@msn.com, dpc@unesc.net 
Resumo​. ​Na tentativa de solucionar problemas de diversas naturezas, o ser humano 
vem utilizando há décadas os conceitos da Física Clássica. No entanto, a necessidade 
de se obter soluções para questões contemporâneas tem conduzido a ciência para 
novos paradigmas. Nos últimos anos, descobriu-se que a física quântica possibilita a 
existência de um tipo de computador completamente diferente – o computador 
quântico. Em conseqüência, pelo menos três grandes áreas de estudo são 
diretamente afetadas: comunicação, armazenamento e poder computacional. Este 
artigo tem o objetivo de destacar as principais características dos novos sistemas 
computacionais e descrever o cenário atual do avanço das pesquisas científicas 
relativas à computação quântica. 
Palavras-chave: ​Computação Quântica; quantum bit; Lei de 
Moore. 
1. Introdução ​O computador atual é baseado na arquitetura proposta por John Von 
Neumann em 1946. Desde então, não houve uma evolução significativa na arquitetura 
de computadores. Apesar dos computadores terem evoluído, tornando-se menores e 
mais rápidos, continuam realizando os mesmos cálculos matemáticos desde seus 
primórdios. 
Em 1965, Gordon Moore, estabeleceu uma lei onde constatou que a cada 2 (dois) 
anos aproximadamente, o número de transistores por unidade de área dobra e, 
consequentemente, o poder de processamento dos computadores. Esta lei ficou 
conhecida como Lei de Moore e vem se mantendo em vigor até os dias de hoje. 
Segundo esta lei, em 2020 a computação clássica atingirá seu limite, sendo possível a 
representação de um bit de informação em um átomo (OLIVEIRA et al, 2003). 
Em 1981, Richard Feymann sugeriu o uso da mecânica quântica na computação 
clássica, quando descobriu que os sistemas clássicos não poderiam representar 
sistemas quânticos. A idéia sugerida por Feymann levou à miniaturização dos 
componentes e a crescente busca por mais eficiência computacional, sendo que, 
quando um bit for representado por um único átomo, não será fisicamente impossível 
fabricar algo menor (OLIVEIRA et al, 2003). 
A computação quântica guarda e processa informações armazenadas em átomos, 
sendo um importante recurso na solução de problemas complexos que os 
computadores clássicos não conseguem resolver, como a fatoração de números inteiros 
muito grandes ou problemas de tentativa e erro. 
2. A computação 
clássica 
O conceito que se tem de computador hoje, é baseado na arquitetura de Von Neumann, 
que afirma serem necessários, memória, processador, dispositivos de entrada e saída 
de dados e barramento de comunicação para ter-se um computador (LOMONACO, 
2002). 
Esta forma de organização é extremamente eficiente na execução de aplicações 
em computadores modernos, porém áreas como a Inteligência Artificial ficam restritas a 
um processamento seqüencial, que é conseqüência dessa arquitetura. 
Entretanto, é preciso que sejam desenvolvidas novas tecnologias, mais eficientes, 
como a computação quântica, para que outras áreas que necessitam de muito poder 
computacional, possam solucionar problemas complexos. 
Para um melhor entendimento da computação quântica, é necessário entender a 
Mecânica Quântica. 
3. Introdução à mecânica 
quântica 
A mecânica quântica é um segmento da física que estuda o movimento de partículas 
muito pequenas, em escala subatômica. 
Na física clássica os valores das grandezas são bem definidos, já na física 
quântica não se pode medir com precisão os estados de uma partícula subatômica. O 
princípio da incerteza de Heisenberg nos diz que quando se precisa encontrar a posição 
de um elétron temos que incidir sobre ele algum tipo de radiação. Por exemplo, para 
descobrir a posição de uma bola de plástico em um quarto escuro emite-se um feixe de 
luz que “bate” na bola e volta, de maneira que não interfira na posição da bola 
(LOMONACO, 2002). 
3.1. Bit quântico ​Toda a informação na computação clássica é representada por ​bits​, 
que assumem valores de 0 ou 1. Na computação quântica surge o ​quantum bit ​– 
chamado de ​qubit –​, que pode assumir os valores 0 ou 1 ou 0 e 1, possuindo outros 
estados possíveis. Esse fenômeno chama-se superposição (RIEFFEL, 2000). 
Pode-se utilizar uma analogia de fácil entendimento, supondo que se tenham 
duas moedas; sob as leis da física clássica, haverá quatro combinações possíveis; 
porém se a moeda fosse um elemento quântico, ambas as faces seriam visíveis ao 
mesmo tempo. Rieffel (2000), relata que é impossível observar essa propriedade em 
objetos comuns. Tentar observar os estados superpostos destrói a superposição. 
Os ​qubits ​estão presentes em algumas moléculas de substâncias da tabela 
periódica, e é através da Ressonância Magnética Nuclear (RMN) que manipulam-se as 
informações nestes ​qubits​. A RMN manipula o momento magnético de um núcleo e é 
por meio dela que pode-se criar o estado superposto (MARQUEZINO, 2006) 
Na Figura 1 ilustra-se a diferença entre bits clássicos e bits quânticos. O bit 
clássico pode guardar 0 ou 1. Já o bit quântico tem vários estados possíveis que podem 
ser representados por um ponto em qualquer lugar da esfera. O pólo norte equivale a 1 
e o pólo sul equivale a 0. 
Figura 1 – Estados dos bits quântico e 
clássico. 
Qualquer tentativa de ler um ​qubit ​resulta em 0 ou 1. A mensuração apaga todas 
as informações contidas no bit quântico, exceto o bit de saída (NIELSEN, 2005). Essa 
superposição de estados permite que um computador quântico realize 1 (um) milhão de 
cálculos simultaneamente enquanto os microcomputadores tradicinais realizam 
somente 1 (um). 
4. O computador quântico ​A primeira pessoa a aplicar teorias quânticas à 
computadores foi Paul Benioff em 1981, quando criou uma Máquina de Turing quântica. 
A Máquina de Turing consiste em uma fita dividida em células, que pode se mover para 
esquerda ou direita, lendo e gravando informações em bits. A diferença na máquina 
quântica de Benioff é que cada célula pode comportar um estado de superposição do 
bit quântico (RIEFFEL, 2000). 
A dificuldade em construir um computador quântico está na manipulação dos bits 
quânticos sem alterar a informação que eles carregam. Os ​qubits ​precisam ficar 
armazenados por tempo suficiente para realizar as operações. Devem ser lidos de 
forma precisa e, principalmente, precisam atingir um isolamento perfeito a fim de evitar 
erros, pois qualquer alteração no campo magnético pode alterar o estado do ​qubit​. 
Assim como na computação clássica, a computação quântica manipula as 
informações por meio de portas lógicas que se assemelham às clássicas, com uma 
restrição, devem ser reversíveis. Um exemplo interessante é a Porta de Toffoli que 
transforma um registrador quântico em um registrador clássico, tornando possível a 
emulação de algoritmos clássicos em computadores quânticos (RIEFFEL, 2000).4.1 Algoritmos Quânticos ​Foram criados vários algoritmos que utilizam o poder do 
computador quântico. O mais importante deles foi desenvolvido em 1994, pelo 
pesquisador Peter Shor; resolve o problema da fatoração de números inteiros grandes. 
Esse algoritmo utiliza a superposição quântica para reduzir o tempo de solução do 
problema. A divulgação desse algoritmo chamou muita atenção da sociedade científica, 
por possibilitar a utilização da mecânica quântica na computação e também porque 
possibilita a quebra de certas chaves criptográficas. O método de criptografia RSA, que 
é muito utilizado, seria ineficaz se inteiros grandes pudessem ser fatorados com 
facilidade (LOMONACO, 2002). 
Em dezembro de 2001, o algoritmo de Shor foi implementado em um computador 
quântico de sete ​qubits​, este computador foi criado por cientistas do Centro de 
Pesquisas da 
IBM (International Business Machines Corporation). O computador foi utilizado para 
fatoração do número 15 e, como esperado, o resultado foi 15 = 3 x 5, por mais simples 
que seja, mostrou que computadores quânticos podem existir realmente. E operações 
que levariam bilhões de anos para serem resolvidas por um computador clássico 
poderão ser resolvidas rapidamente pelos computadores quânticos (figura 2). A tabela a 
seguir mostra estimativas de tempo de fatoração em algoritmos quânticos e comuns 
(​OLIVEIRA, 2003)​. 
Figura 2 - Comparação do tempo de fatoração de números inteiros (​OLIVEIRA, 
2003)​. 
5. Conclusão ​Um computador clássico pode ser descrito de forma bastante genérica 
como uma máquina que lê certo conjunto de dados, codificado em zeros e uns, executa 
cálculos e gera uma saída também codificada em zeros e uns. Um computador quântico 
vai além da tecnologia presente, baseando-se nos diferentes estados que um bit 
quântico pode assumir aumentando exponencialmente sua velocidade de 
processamento. 
Quando a construção de máquinas quânticas para uso comercial se tornar 
possível, surgirá a necessidade de se desenvolver novos algoritmos quânticos. Outro 
ponto interessante é que não se faz necessário a criação de uma arquitetura mais 
eficiente em termos de processamento para resolver tarefas que os computadores 
clássicos já resolvem com eficiência, ou seja, áreas específicas, como inteligência 
artificial e criptografia, teriam um maior interesse no desenvolvimento dessa nova 
tecnologia. 
O computador quântico possibilita o desenvolvimento de uma nova arquitetura de 
computadores, o que elevaria muito o poder computacional comparado aos 
computadores atuais. No entanto, ele faz os mesmos cálculos que o computador 
tradicional faz. 
Referências 
LOMONACO, S.J. Jr. ​A Rosetta Stone for quantum mechanics with an introduction 
to quantum computation​. Washington, DC, volume 58 of Proc. Sympos. Appl. Math., 
pages 3–65. Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2002. NIELSEN, Michael A.; CHUANG, 
Isaac L. ​Computação Quântica e Informação 
Quântica​. Porto Alegre: Bookman, 2005. OLIVEIRA, Ivan S.; AZEVEDO, Eduardo R. 
de; FREITAS, Jair C. C. de. ​Computação 
quântica​. Revista Ciência Hoje, 2003. RIEFFEL, E.; POLAK, W. ​Introduction to 
quantum computing​. ACM Computing 
Surveys, 32(3):300–335, 2000.