Processadores Quânticos

Processadores Quânticos.....

O que virá por ai?

Essa é uma pergunta que todo mundo que é louco por tecnologia quer saber, os processadores irão pensar... São capazes de substituir o cérebro Humano? Irão dar possibilidades de ser implementados em seres humanos?
Essas e outras perguntas ainda irão ficar no ar, por que o processo de estudo e evolução nesse assunto ainda caminha não lento, mas sem muitas descobertas no momento. O que neste assunto irei abordar é quem esta fabricando, como será encapsulado, a velocidade e outras coisas muito interessante, vamos lá?

O que é um processador QUANTICO.

Um computador quântico é um dispositivo que executa cálculos fazendo uso direto de propriedades da mecânica quântica, tais como sobreposição e interferência. Hoje , computadores quânticos podem ser implementados e o mais desenvolvido atualmente trabalha com poucos qubits de informação. O principal ganho desses computadores é a possibilidade de resolver em tempo eficiente, alguns problemas que na computação clássica levariam tempo inexplicável , como por exemplo, a fatoração em primos de números naturais. A redução do tempo de resolução deste problema possibilitaria a quebra da maioria dos sistemas de criptografia usados atualmente.

Como funcionam


A idéia de usar átomos para processar dados não é nova, existem pesquisas neste sentido desde o início da década de 80, mas eram apenas teorias vagas, que apenas atualmente começam a tomar forma. Num processador quântico, temos átomos ao invés de transístores. Ao invés de bits temos bits quânticos, ou qubits. A idéia fundamental é que num átomo, a rotação de cada elétron corresponde a um pequeno movimento magnético, que pode ser controlado caso o átomo seja colocado sobre uma superfície magnética suficientemente sensível Uma peculiaridade interessante é que enquanto um transístor permite apenas dois estados, ou seja, ligado ou desligado, cada qubit possui três estados diferentes. Dois estados são determinados pela rotação dos elétrons (horário ou anti-horário), enquanto o terceiro é uma característica bastante peculiar dentro do mundo quântico, onde os elétrons podem girar simultâneamente nos dois sentidos. Sim, parece estranho, e é por isso que existem tantos cientitas pesquisando isso, mas de qualquer forma, combinado com os dois estados anteriores temos um total de 4 estados possíveis, o que permite que cada qubit processe ou armazene dois bits simultaneamente. Isto permite ampliar exponencialmente a capacidade dos processadores quânticos, já que dois qubis correspondem a 4 bits, 3 qubits correspondem a 8 bits e 5 qubits correspondem a 32 bits. 10 qubits seriam suficientes para 1024 bits, enquanto 20 correspondem a mais de um milhão. Esta pode ser a grande chave para aumentar de forma inimaginável tanto a potência dos processadores quanto a capacidade dos dispositivos de armazenamento de memória. Não estou falando de processadores operando a 100 ou 500 GHz, mas de computadores capazes de resolver em poucos segundos cálculos que um processador atual demoraria milhões de anos para resolver. Seria potência suficiente para construir um mainframe capaz de calcular todas as variáveis possíveis de surgimento de vida em um planeta ao longo de bilhões de anos, por exemplo :-)

Os primeiros computadores quânticos já são realidade, a IBM por exemplo anunciou seu primeiro chip Quântico no início deste ano (2001), na 12º Conferência anual na universidade de Palo Alto. Ainda é um projeto bastante rudimentar, possui apenas 5 qubits, trabalha a apenas 215 Hz, e necessita de um aparato gigantesco de equipamentos para funcionar, mas já mostra que é realmente possível produzir processadores Quânticos.

O primeiro problema nesta experiência, e em todas as experiências com processadores quânticos usados atualmente, é como manter esta molécula estável. A solução usada atualmente é conservá-la numa solução altamente resfriada, numa temperatura próxima do zero absoluto. Este sistema porém é incrivelmente caro. Para tornarem-se viáveis comercialmente, os computadores quânticos teriam que superar esta limitação, com modelos que pudessem operar à temperatura ambiente. O segundo problema é como manipular os átomos que compõe a molécula. Um átomo pode mudar de estado numa velocidade surpreendente, mas um átomo sozinho não tem como adivinhar quais estados queremos que ele assuma. Para manipular átomos, precisamos usar partículas ainda menores que eles. A solução encontrada pelo projetistas da IBM foi usar radiação, num sistema semelhante à ressonância magnética que temos nos hospitais, porém muito mais preciso. Este sistema possui dois problemas, primeiro é o fato de ser muito caro, um aparelho destes não sai por menos de 5 milhões de dólares. O segundo problema é o fato da técnica ser muito lenta, o que justifica o fato do protótipo da IBM operar a apenas 215 Hz, milhões de vezes mais lentamente que qualquer processador atual, que já estão na casa dos Gigahertz. Mais um obstáculo que precisa ser superando antes dos Quânticos tornarem-se viáveis comercialmente.


Aplicações


O brutal poder de processamento que pode ser atingido pelos processadores Quânticos seria extremamente útil tanto para pesquisas científicas, onde naturalmente estes ultra-computadores iriam debutar, quanto para aplicações comerciais de realidade virtual e inteligência artificial, que sem dúvida serão as modas deste século. Os jogos poderiam ser suficientemente reais para conter vários personagens que realmente interagissem com o jogador, conversando (ou sabe-se lá o que mais :-), e agindo de acordo com as ações do jogador, como num RPG quase real. Um computador quântico sozinho poderia controlar em tempo real centenas destes personagens. Reconhecimento de voz e gestos já seria algo trivial. Sem dúvida, teríamos gigantescos avanços em praticamente todos os campos, finalmente poderíamos ter códigos de encriptação realmente seguros, pesquisas em gigantescos bancos de dados usando algoritmos inteligentes e traços de inteligência artificial poderiam ser feitas quase instantaneamente, a transmissão de dados poderia alcançar velocidades da ordem de vários Terabytes (ou Petabytes) por segundo usando fibras ópticas de alta densidade e roteadores quânticos, capazes de lidar com esta quantidade de informação. Seria o suficiente para a Internet transformar-se num mundo virtual, onde as pessoas possam encarnar avatars e se relacionar com voz, gestos e até toque, como no mundo real. Seria uma evolução dos chats atuais. A grande pergunta é quando. Ninguém sabe com certeza o quão rápido as pesquisas nesta área poderão avançar. Pode demorar cem anos para vermos estas aplicações que descrevi, ou pode demorar apenas duas ou três décadas. Como é um campo muito novo, não se sabem de onde podem surgir as soluções para os enormes problemas que ainda dificultam a vida dos pesquisadores.



Novas esperanças


Como vimos, os processadores Quânticos experimentais desenvolvidos até agora são incrivelmente lentos, algo normal para uma tecnologia emergente, mas o pior, precisam de equipamentos incrivelmente sofisticados, e caros para funcionar. Nada parecido com um processador Intel ou AMD que pode ser facilmente encapsulado e trabalha à temperatura ambiente, amparado por um simples cooler. Os protótipos Quânticos atuais utilizam aparelhos de ressonância magnética nucleares para manipular os estados dos átomos e a (ou as) moléculas precisam ser mantidas a temperaturas próximas do zero absoluto para manterem-se estáveis. Apesar de ajudar os cientistas a estudar a mecânica quântica, um sistema assim jamais seria viável economicamente. Atualmente o desenvolvimento dos processadores quânticos vem ganhando impulso. As primeiras experiências tinham como objetivo manipular os elétrons, isto provou-se muito problemático, pois os elétrons, por sua pequena massa e pela sua exposição, são extremamente susceptíveis a qualquer influência externa. Surgiu então a idéia de manipular os núcleos dos átomos, o que torna o processo bem mais simples, já que o núcleo é maior e está relativamente isolado do meio externo graças à barreira de elétrons em torno dele. Mas isto foi apenas parte da solução do problema. Pois de qualquer modo ainda resta desenvolver algum tipo de tecnologia que permita manipular núcleos atômicos. A primeira safra de protótipos utiliza ressonância magnética para isto, uma tecnologia extremamente cara, mas já existe gente desenvolvendo meios bem mais simples de fazer isso. Os cientistas do laboratório nacional de Los Alamos, nos EUA, divulgaram experiências usando um sistema óptico para manipular prótons. A idéia da nova técnica é que os prótons podem ser usados tanto na forma de partículas (a fim de interagir com os átomos que compõe o sistema quântico), quanto na forma de onda, podendo ser transportados através de um sistema óptico. Usando a nova técnica, os prótons recebem a função de manipular os átomos que compõe o processador quântico. Por ser uma partícula, um próton pode ser "arremessado" contra o qubit, alterando com o impacto seu movimento. Da mesma forma, um próton pode ser arremessado de forma a ricochetear no qubit. Desta forma o próton é que tem sua trajetória alterada. A grande sacada é que este próton poderia ser recuperado usando um foto detector, que detectaria o próton na forma de onda, e não de partícula. Calculando a trajetória do próton, é possível recuperar o dado gravado no qubit. Um problema que surgiu durante as experiências foi o fato deste sistema ser susceptível a um grande número de erros. Para isto os pesquisadores vêm trabalhando em algoritmos de correção de erros, o que permitiria tornar este sistema confiável.Com tudo o que vem sendo feito é possível que os computadores quânticos tornem-se viáveis muito antes do que se vem esperando. A quinze anos os computadores quânticos eram considerados apenas coisa de ficção científica. Hoje já existem alguns protótipos em funcionamento. A pergunta agora é quando estes sistemas irão tornar-se viáveis. Avanços como o que vimos podem ser a resposta :-)

A história dos computadores quânticos


1981 - Richard Feynman elaborou a primeira proposta de utilizar um fenômeno quântico para executar rotinas computacionais. Foi numa palestra apresentada na Primeira Conferência de Computação Física no MIT. Ele mostrou que um computador tradicional levaria um tempo extremamente longo para simular um simples experimento de física quântica. Por outro lado, sistemas quânticos simples podem executar enormes quantidades de cálculos num curto espaço de tempo. Poderia ser possível utilizar essa capacidade para se calcular algo útil.
1985 - David Deutsch, na Universidade de Oxford, descreveu o primeiro computador quântico universal. Exatamente como uma Máquina de Turing pode simular outra máquina de Turing eficientemente, um computador quântico universal é capaz de simular o funcionamento de outro computador quântico com complexidade, no máximo, polinomial. Isso fez crescer a esperança de que um dispositivo simples seja capaz de executar muitos algoritmos quânticos diferentes.


1994 - Peter Shor, no Bell Labs da AT&T em Nova Jersey, descobriu um excelente algoritmo. Ele permite a um computador quântico fatorar grandes inteiros rapidamente. Ele resolve tanto o problema da fatoração quanto o problema do logaritmo discreto. O Algoritmo de Shor poderia, em teoria, quebrar muitos dos sistemas criptográficos em uso atualmente. Essa descoberta criou um enorme interesse nos computadores quânticos, até fora da comunidade acadêmica.


1996 - Lov Grover, no Bell Labs, descobriu o algoritmo de pesquisa em bases de dados quânticas. O speedup de raiz quadrada não foi tão dramático quanto o speedup para fatoração, logs discretos, ou simulações físicas. Mas o algoritmo poderia ser aplicado a uma variedade muito maior de problemas. Qualquer problema que tinha que ser resolvido por uma pesquisa de força bruta, aleatória, podia agora ter um speedup de raiz quadrada.


1996(?) - ???? 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. Erros sempre são introduzidos pelo meio, mas uma forma de correção de erros quânticos pode sobrescrevê-los e corrigi-los. Esta pode ser a chave tecnológica para a produção em larga escala de computadores quânticos que realmente funcionam. Estas propostas adiantadas tiveram um certo número de limitações. Poderiam corrigir alguns erros, mas não erros que ocorrem durante o próprio processo da correção. Algumas melhorias foram sugeridas, e a pesquisa sobre esta continua ativa.


199? - ???? no MIT foram construídos os primeiros computadores quânticos baseados em montagem térmica. O computador é , na verdade, uma única molécula pequena, que armazena qubits na rotação (spin) de seus prótons e nêutrons. Trilhões e trilhões destas moléculas podem flutuar em um copo da água. O copo está colocado em um equipamento de ressonância magnética nuclear, similar à imagem por ressonância magnética das máquinas usadas nos hospitais. Este conjunto do room-temperature (' ' thermal ' ') das moléculas (' ' ensemble ' ') tem quantidades maciças de redundância, que permite que mantenha coerência muito melhor do que muitos outros sistemas propostos.


2007 - Empresa Canadense D-Wave afirmou ter desenvolvido um computador híbrido chamado Orion que inclui um processador quântico de 16 qubits mas que também processa bits convencionais. Se confirmado, será a primeira máquina desse tipo capaz de realizar tarefas práticas o que é surpreendente. Alguns especialistas vinham prevendo que demoraria 20 anos para que os computadores quânticos pudessem ser usados na prática. O Orion seria capaz de resolver problemas de lógica, encontrar soluções para o jogo Sodoku e pesquisar alternativas para drogas usadas na indústria farmacêutica. Em seu estágio atual, o Orion não teria aplicação comercial. Mas a D-Wave diz que vai produzir um computador de 32 qubits ainda neste ano. No primeiro semestre de 2008, a empresa pretende chegar a 512 qubits para, em menos de dois anos, atingir 1 quiloqubit. A comunidade científica recebeu o anúncio da empresa com ceticismo, por ela não ter liberado maiores detalhes do processador.



Como trabalha
Um computador clássico com três bits de memória pode apenas armazenar três caracteres (uns ou zeros). Num determinado momento, pode conter os bits "101". Um computador quântico pode atualmente armazenar 16 valores analógicos em pares para formar 8 números complexos. Em um dado instante, ele poderia conter isto:
Estado
Amplitude
Probabilidade
*
(a+ib)
(a²+b²)
000
0.37 + i 0.04
0.14
001
0.11 + i 0.18
0.04
010
0.09 + i 0.31
0.10
011
0.30 + i 0.30
0.18
100
0.35 + i 0.43
0.31
101
0.40 + i 0.01
0.16
110
0.09 + i 0.12
0.02
111
0.15 + i 0.16
0.05
Se existissem n qubits, então esta tabela teria 2n linhas. Para um n nas centenas, isso seriam mais linhas do que os átomos conhecidos no universo.
A primeira coluna mostra todos os estados possíveis para os três bits. Um computador clássico apenas suporta um destes padrões de cada vez. Um computador quântico pode colocar-se na super posição de assumir os 8 estados simultaneamente. A segunda coluna mostra a "amplitude" para cada um dos 8 estados. Estes 8 números complexos são uma imagem dos conteúdos de um computador quântico num determinado momento. Durante a computação, estes 8 números irão modificar e interagir uns com os outros. Neste sentido, um computador quântico de 3-qubit tem muito mais memória do que um computador clássico de 3-bit.
No entanto, não existe nenhuma forma de ver diretamente estes 8 números. Quando o algoritmo é terminado, é feita uma única medida. A medida fornece uma simples linha de 3-bit, e elimina todos os 8 números complexos. A linha fornecida é gerada aleatoriamente.
A terceira coluna da tabela calcula a probabilidade de cada linha possível. Neste exemplo, há uma probabilidade de 14% de que a linha fornecida seja "000", uma de 4% de que seja "001", e assim por diante. Cada probabilidade é encontrada com a execução do quadrado do módulo do número complexo (ou a multiplicação do complexo pelo seu conjugado - dá no mesmo). O quadrado do módulo de (a+ib) é (a²+b²). As 8 probabilidades somam até 1.
Geralmente, um algoritmo num computador quântico irá dar início a todos os números complexos de modo a se equivalerem a valores, por isso todos os estados terão probabilidades equivalentes. A lista de números complexos pode ser vista como um vector de 8 elementos. Em cada passo do algoritmo, esse vector é modificado ao multiplicá-lo por uma matriz. A matriz advém da física da própria máquina, e será sempre invertível, e irá garantir que as probabilidades continuem a somar até 1 (ou seja, a matriz será sempre ortogonal).
Para uma máquina térmica completa, a operação é realizada disparando um curto pulso de radiação no recipiente de moléculas. Diferentes tipos de pulsos resultam em diferentes matrizes. O algoritmo para o computador quântico consiste em que pulsos usar e em que ordem. A sequência é usualmente escolhida de modo que todas as probabilidades tendam a 0 exceto uma. Essa probabilidade é a que corresponde à linha que é a resposta correta. Então, quando as medidas são feitas, essa resposta é a mais provável de ser retornada. Para um dado algoritmo, as operações serão sempre feitas na mesma ordem. Não existe regras "SE ENTÃO" para variar a ordem, já que não há modo de ler a memória antes da medição no final.
Para mais detalhes na sequência de operações usada para vários algoritmos, veja computador quântico universal, Algoritmo de Shor, busca quântica em base de dados, e correção de erro quântico.
O computador quântico do exemplo acima pode ser imaginado como uma caixa preta contendo 8 números complexos. Ou, pode ser imaginado como 8 caixas pretas, cada uma contendo 1 número complexo, cada um se situando num universo alternativo diferente, e todas se comunicando uma com as outras. Essas duas interpretações correspondem a Interpretação Copenhaque e Interpretação Everett de diferentes-mundos, respectivamente, da mecânica quântica. A escolha da interpretação não influi no cálculo, ou no comportamento do computador quântico. Nos dois casos, é um vetor de 8 elementos que é modificado pela multiplicação da matriz.
Teoria da Complexidade
Esta secção mostra o que é actualmente conhecido matematicamente acerca do poder dos computadores quânticos. Descreve os resultados conhecidos da teoria da complexidade e da teoria da computação que dizem respeito aos computadores quânticos.
Uma classe de problemas que pode ser resolvida eficientemente por computadores quânticos é chamada BQP, para "bounded error, quantum, polynomial time". Computadores quânticos somente executam algoritmos aleatórios, então BQP em computadores quânticos é a parte contrária do BPP em computadores clássicos. É definido como um conjunto da problemas solucionável como um algoritmo de tempo polinomial, cuja probabilidade de errar é reduzida para metade. Um computador quântico "resolve" um problema se, para toda situação, sua resposta estará certa com alta probabilidade. Se esta solução for encontrada em tempo polinomial, então este problema é BQP.
BQP é supostamente disjunto de NP-Completo e super-conjunto de P, mas nada é conhecido. Tanto a factorização de inteiros como o logaritmo discreto pertencem a BQP. Ambos são problemas NP mas suspeita-se que não estejam em P nem em NP-Completo. Existe um comum mal-entendido que os computadores quânticos poderão resolver problemas completos em NP em tempo polinomial. Existem muitas dúvidas, mas é considerada uma afirmação falsa.
Já foi mostrado que se um computador quântico pudesse ser desenhado com operadores não-lineares, então poderia resolver problemas completos em NP em tempo polinomial e até para #P-Completos. No entanto estes formulações ainda não foram aprovadas por outros colegas.
Embora computadores quânticos sejam algumas vezes mais rápidos que os computadores clássicos, eles não podem solucionar problemas que computadores clássicos não podem resolver, tendo tempo e memória suficientes. Uma Máquina de Turing pode simular um computador quântico, então um computador quântico nunca poderá solucionar um problema sem a capacidade de decisão parecido com o Problema da parada. A existência de computadores quânticos não pode refutar a tese de Church-Turing.

Referencias:
http://www.guiadohardware.net/analises/processadores-quanticos/
http://info.abril.com.br/aberto/infonews/022007/15022007-3.shl
http://pt.wikipedia.org/wiki/Computador_qu%C3%A2ntico
Acessados dia 04/05 de outubro de2009.