Trabalho 1 - Processadores Quanticos

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UNIVERSIDADE VEIGA DE ALMEIDA 
 
 
 
ERICK NASCIMENTO DA MATA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TRABALHO I - PROCESSADORES QUÂNTICOS 
Pesquisa sobre Definições e Aplicações 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rio de Janeiro 
2019 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabalho I - Processadores Quânticos 
 
Aluno : Erick Nascimento da Mata (20142101627) 
Disciplina : Engenharia de Software 
Professor : Edwilliam Maia 
1 
 
SUMÁRIO 
 
1. COMPUTAÇÃO QUÂNTICA 3 
2. PROCESSADORES QUÂNTICOS 4 
3. PROCESSADORES QUÂNTICOS JÁ PRODUZIDOS 5 
4. RELAÇÕES COM A ENGENHARIA DE SOFTWARE 7 
5. CONCLUSÃO 8 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10 
 
 
2 
1. COMPUTAÇÃO QUÂNTICA 
 
Este paradigma de computação foi proposto pela primeira vez por 
Paul Benioff, baseando-se no trabalho de Charles Bennett de 1973. Temos por 
este primeiro cenário que fazer entender que a vontade por trás da computação 
quântica não trata-se de tecnologia futurista ou paradigma infundado baseado 
somente em ficção científica. Já em 1984, Charles Bennett e Gilles Brassard 
descobrem o protocolo da criptografia quântica BB84, o primeiro algoritmo 
quântico é criado no ano seguinte por David Deutsch. 
A partir deste ponto começamos a explorar um patamar mais realista 
do cenário da computação quântica, porém, ainda estávamos em um campo 
completamente teórico, e não por isto pouco fundamentado, da matemática e 
física. Alguns como alvo alcançar a possibilidade de transformar estas teorias 
em prática, mas no cenário que se propunha a aplicação, o custo tornava 
qualquer projeto de pesquisa inviável. Neste mesmo período estamos ainda 
começando a compreender como tornar a computação clássica, hoje 
comercializável a preço muito menor, algo escalável em termos de produção. 
Outra descobertas são realizadas ao longo destes anos, até que em 
1996 um grupo da IBM demonstrou experimentalmente o BB84 utilizando 
fótons enviados por fibras de telecomunicação e, pouco mais tarde, em 1997 
Neil Gershenfeld e Isaac Chuang descobrem os estados pseudo-puros e fazem 
eclodir a Computação Quântica por Ressonância Magnética Nuclear. 
Para compreender um pouco mais sobre a CQ, é necessário estar 
familiarizado com conceitos de Mecânica Quântica e fundamentos físicos que 
não pretendemos abordar nesta pesquisa, porém, é de suma importância tratar 
do elemento básico da computação clássica e seu análogo na CQ, o bit. 
A unidade de informação clássica é o bit, que possui valores lógicos 
computáveis representados por valores lógicos 0 ou 1. A partir desta 
abordagem é possível representar o estado mínimo computável de uma 
informação, representando algo como “ligado” ou “desligado”, “aceso” ou 
“apagado”, “verdadeiro” ou “falso”, é possível estabelecer um mínimo controle 
das informações processadas com base nas teorias de lógica clássica. 
3 
Analogamente, a menor unidade de unidade representativa para a 
CQ é o bit quântico ou qubit. Por meio desta representação, contudo, estamos 
frente a um novo paradigma, que representa a forma quântica de percepção do 
universo desta matéria. Um qubit pode representar os estados “0”, “1” e “0 e 1”. 
O que a princípio parece impossível é explicável pela própria natureza da 
Mecânica Quântica e suas aplicações. Abordaremos aqui uma visão mais 
direta do tema: ​bits apresentam estados mutuamente excludentes, quando 
qubits podem ter, além destes, uma superposição de ambos. Isto permite que 
mais poder de computação e capacidade de processamento, com quantidade 
muito menor de dígitos computáveis. 
O que percebemos aqui é que, enquanto para um computador 
comum apenas um estado pode ser observado e analisado por vez, um 
computador quântico consegue realizar operações observando estes dois 
estados simultaneamente. Um conjuntos de apenas dois qubits, poderá então 
armazenar o equivalente a quatro bits. Esta relação não é, contudo, a metade 
como pode parecer a princípio, e sim exponencial. Basta observar que para um 
conjunto de três qubits, é possível armazenar o equivalente a oito bits. 
Podemos representar este ganho como ​n qubits são equivalentes a ​2​n bits, 
dadas suas representações de estado. 
 
 
2. PROCESSADORES QUÂNTICOS 
 
Diante de um mundo cada vez mais complexos e com a capacidade 
computacional sendo exigida em alta demanda, podemos imaginar que haverá, 
em algum momento de nossa história, um gargalo computacional. Nossa 
experiência com computadores tornou-os não só desejados, como presentes 
em nossas vida de maneira que nem sequer percebemos. A este conceito 
dá-se o nome de computação ubíqua. 
Outra tendência presente em nossas vidas são as aplicações 
front-end, funcionando quase como terminais por algumas vezes. Este texto 
mesmo foi produzido por uma ferramenta de edição de textos completamente 
4 
online, sem necessidade de instalações ou atualizações de software. É 
razoável, portanto, pensar que para algumas de nossas empresas a 
capacidade computacional em algum momento breve se aproximará de um 
limite, onde, considerando a ​lei de Amdahl​, todo o investimento na melhoria 
nossos processadores clássicos não proporcionará ganho significativo de 
desempenho para justificar seu investimento. 
Devemos então nos abrir para um próxima alternativa, como 
demonstrada aqui, já explorada pelo campo teórico, mas ainda em 
desenvolvimento em campo prático. Com a utilização de um metal raro 
chamado Nióbio em baixíssimas temperaturas, é possível provocar um 
comportamento mais previsível para o fenômeno da superposição e existe 
nesses processadores um potencial gigantesco que apenas começamos a 
conhecer. A utilização de um processador para realizar cálculos valendo-se das 
capacidades da Mecânica Quântica é mais que bem vindo para a computação, 
é algo necessário. 
Notamos, entretanto, que ainda não estamos próximos de tornar a 
tecnologia escalável e possibilitar uma produção em massa. Ainda temos 
bastante o que aprender com a CQ, para que enfim possamos construiu 
Processadores Quânticos que utilizem toda a capacidade inerente a MQ e 
extrapolem nossa poder em computação de maneira exponencial. 
 
 
3. PROCESSADORES QUÂNTICOS JÁ PRODUZIDOS 
 
O computador produzido na Universidade de Bristol, na Inglaterra 
superou computadores clássicos em certos problemas altamente 
especializados. O processador deste computadores possuía apenas 2-qubit 
baseados em um malha de fótons. 
5 
Notável, a empresa canadense D-Wave, produziu o primeiro 
computador quântico para comercialização . Sua solução, entretanto exige uma 1
abordagem específica e é facilmente superado por CPUs tradicionais. Esta 
produção representa um início significativo para o mundo da CQ, mas ainda 
não representa o poder nativo e inerente ao processamento quântico que 
esperamos. 
A gigante IBM iniciou a alguns anos os estudos e pesquisas na área 
de processadores quânticos, utilizando sua inteligência artificial mais renomada 
nesta tarefa, o Watson, foi capaz de avançar nas pesquisas e chegou a afirmar 
que solucionado um dos principais problemas com os processadores 
quânticos, que é a falha em qubits, por meio da detecçãoe correção de erros . 2
Ainda é um problema, entretanto, a necessidade de seus processadores serem 
mantidos em temperaturas próximas do zero absoluto, inviabilizando a 
produção em larga escala . Os resultados são, contudo, promissores. A IBM 3
disponibilizou o Quantum Experience, como forma de aproximar e incentivar o 
uso e descoberta desta nova tecnologia do usuário final, bem como anunciar 
seu produto posto à prova para uso, propagando sua marca para 
comercialização, o processador IBM Q . 4
Também na corrida pela demonstração de processadores quânticos 
capazes de apresentar resultado estável e confiável, a Google está investindo 
um um processador de 72 qubit, que tem potencial para tornar-se o 
computador mais potente do mundo. A pesquisa, entretanto, ainda não tem 
data para lançamento, mas a parceria com a Nasa parece ser promissora para 5
ajudar a empresa a comparar e entregar resultados. 
1 ​D-Wave One, o primeiro computador quântico - disponível em 
https://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2011/05/d-wave-one-o-primeiro-computador-quantic
o.html 
2Demonstration of a quantum error detection code using a square lattice of four 
superconducting qubits - disponível em https://www.nature.com/articles/ncomms7979 
3 A corrida para a criação do computador mais poderoso da história - disponível em 
https://www.bbc.com/portuguese/geral-45406872 
4 IBM revela computador quântico mais potente que você pode testar online - disponível em 
https://tecnoblog.net/214833/ibm-novo-processador-quantico/ 
5 ​Google has enlisted NASA to help it prove quantum supremacy within months - disponível em 
https://www.technologyreview.com/s/612381/google-has-enlisted-nasa-to-help-it-prove-quantum
-supremacy-within-months/ 
6 
A empresa Intel, já consolidada do ramo de microprocessadores, 
apresentou no CES 2018 um protótipo de um chip quântico de 49 qubtis e a 
empresa afirma grande sucesso nesta produção de chip projetado para 
suportar temperaturas frias necessárias para o funcionamento dos bit 
quânticos. A própria empresa estima que até 2030 o total de mercado 
endereçado ao tema será de mais de US$ 50 bilhões, preenchidos entre os 
principais players de tecnologia, eventuais venture capitalists e mercados como 
China, União Européia e Estados Unidos. 
Ainda é da Intel a ideia de tratar os chips de forma a tornar a 
computação quântica encapsulada em menores containers, produzindo em 
Oregon um menor que a borracha de uma lapiseira, a empresa produziu um 
chip que opera com um único elétrons, e afirma que para efeito de comparação 
em um único fio de cabelo humano caberiam cerca de 1,5 mil qubits . Tornando 6
realmente notável o poder nativo da CQ. 
 
 
4. RELAÇÕES COM A ENGENHARIA DE SOFTWARE 
 
Temos supercomputadores capazes de realizar tarefas com 
velocidade significativa, e ainda assim não estamos perto de alcançar o poder 
oferecido pelos Processadores Quânticos. Ao explorar este potencial ao 
máximo, tarefas que hoje são extremamente árduas, mesmo para estes 
supercomputadores, poderão tornar-se simples. Porém, é importante ressaltar 
que a eficiência da CQ em resolver problemas reais não está somente em sua 
capacidade de processamento ou em sua velocidade de resposta. Precisamos 
de softwares que sejam construídos sob medida para estes Processadores 
Quânticos, de modo a extrair o máximo de sua capacidade, e isso é um 
desafio. 
Hoje, para o simples desenvolvimento de uma aplicação podem ser 
utilizados simuladores e kits de desenvolvimento que aproximam a MQ do 
6 Como a Intel está se preparando para a Computação Quântica - disponível em 
https://canaltech.com.br/inovacao/como-a-intel-esta-explorando-a-computacao-quantica-12423
2/ 
7 
nosso mundo e tornam mais palatável seu uso . É um campo extremamente 7
promissor e desafiador para os Engenheiros de Software, certamente nos fará 
ter que repensar todo o modelo de engenharia que consolidamos para a 
computação clássica. 
Necessitamos explorar a construção de novas interfaces de 
programação que sejam simples e cuidem da complexidade da MQ para nós. É 
possível que este tipo de programa precisa acontecer em mais alguns níveis e 
camadas, para que, como acontece na computação clássica, seja possível 
haver uma dissociação entre a Mecânica e a Computação Quânticas. É 
necessário um grande trabalho focado nisto pela Engenharia de Software, na 
construção de ferramentas que simplifiquem o processo de construção de 
softwares. 
Já possuímos pesquisas e demonstrações de algoritmos quânticos, 
agora necessitamos ampliar os softwares capazes de lidar com eles. 
 
 
5. CONCLUSÃO 
 
Percebemos com a breve pesquisa e levantamento dos últimos 
acontecimentos no cenários da CQ e dos Processadores Quânticos, que 
estamos vivendo um momento muito semelhante ao surgimentos dos primeiros 
supercomputadores. Quando alguns levantavam-se para dizer que o 
investimento em computadores não seria algo útil para os próximos anos, ou 
mesmo que ninguém vai ser louco de querer ter um computador em casa, 
houveram empresas que acreditaram nesta ideia e pessoas que dedicaram seu 
tempo e vida para pesquisar novas soluções e encontrar novos materiais para 
tornar a computação clássica confiável, escalável e possível. 
Diante deste novo cenário a ser superado, percebemos que ainda 
faltam alguns anos até o surgimento de uma tecnologia que consiga 
7O futuro é quântico: Microsoft libera preview gratuito do Kit de Desenvolvimento Quântico - 
diponível em: https://news.microsoft.com/pt-br/o-futuro-e-quantico-microsoft-libera-preview-gra 
tuito-​kit-de-desenvolvimento-quantico/ 
8 
representar todo o potencial nativo da CQ, mas a cada descoberta podemos 
nos tornar um pouco mais otimistas em presenciar a popularização de todo 
este poder, ainda tímido, dos Processadores Quânticos. 
Por outro lado, não é suficiente que Processadores Quânticos 
estejam disponíveis por todo o mercado e presentes em cada computador se 
não evoluirmos nossa forma de utilização por meio de softwares que sejam 
capazes de utilizar o melhor possível desde imenso poder disponível. Para 
alcançarmos o sucesso nesta tarefa, devemos repensar nossa Engenharia de 
Software, alcançar novos paradigmas e explorar essas novas descobertas. A 
Engenharia de Software tem papel central em tornar a Computação Quântica 
algo real, e evitar a utilização de um hardware extremamente poderoso de 
forma parcial por não explorar-mos seu potencial de forma adequada. 
 
 
 
 
 
9 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
NICOLIELLO, Heitor; ​Introdução à computação quântica. ​2009. 5f. 
Artigo. Universidade de Campinas, SP, 2009. 
 
OLIVEIRA, Ivan S. e SARTHOUR, Roberto S.; ​Computação 
Quântica e Informação Quântica. 2004. 44f. Artigo (Física). Centro Brasileiro 
de Pesquisas Físicas, RJ. 2004 
 
SOUZA, Maicon L. de; ​Evolução Dos Processadores E Seu 
Futuro. ​2012. 41 f. Monografia (Engenharia Elétrica) USF | Universidade São 
Francisco Itatiba, São Paulo, 2002. 
 
A CORRIDA PARA A CRIAÇÃO DO COMPUTADOR MAIS 
PODEROSO DA HISTÓRIA. RUSSON, Mary-Ann. BBC News. Disponível em: 
<​https://www.bbc.com/portuguese/geral-45406872​>.Acesso em 17/02/2019 
 
INTRODUCTION TO THE D-WAVE QUANTUM HARDWARE. 
D-WAVE SYSTEMS. Disponível em: 
<​https://www.dwavesys.com/tutorials/background-reading-series/introduction-d-
wave-quantum-hardware​>. Acesso em 17/02/2019 
 
OS PRIMEIROS COMPUTADORES QUÂNTICOS PRECISAM DE 
SOFTWARE INTELIGENTE. HENRIQUE, Diógenes. Disponível em: 
<http://socientifica.com.br/2017/09/os-primeiros-computadores-quanticos-precis
am-de-software-inteligente/>. Acesso em 17/02/2019 
 
PRIMITIVE QUANTUM COMPUTERS ARE ALREADY 
OUTPERFORMING CURRENT MACHINES. JAQUITH, Todd. Futurism. 
Disponível em: <https://futurism.com/primitive-quantum-computers-already- 
outperforming-current-machines/>. Acesso em 17/02/2019 
 
 
 
 
10 
https://www.bbc.com/portuguese/geral-45406872
https://www.dwavesys.com/tutorials/background-reading-series/introduction-d-wave-quantum-hardware
https://www.dwavesys.com/tutorials/background-reading-series/introduction-d-wave-quantum-hardware