Quanticas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE INFORMÁTICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM COMPUTAÇÃO
GUILHERME GOETTEMS SCHNEIDER
Arquitetura de Computadores Quânticos
Arquiteturas Especiais de Computadores
Prof. Philippe Olivier Alexandre Navaux
Porto Alegre, outubro de 2005
SUMÁRIO
 Sumário ......................................................................................................................... 2 
1 Introdução ................................................................................................................... 3 
2 Histórico ...................................................................................................................... 3 
3 Princípios da computação quântica ............................................................................. 4 
4 Aplicações ................................................................................................................... 6 
5 Arquiteturas ................................................................................................................. 6 
6 Dificuldades ................................................................................................................ 6 
7 Conclusão .................................................................................................................... 7 
 Bibliografia ................................................................................................................... 8 
1INTRODUÇÃO
Este trabalho apresenta um histórico da evolução dos microprocessadores e uma 
visão geral sobre computação quântica. Serão destacadas as principais características 
que diferenciam a computação tradicional e a computação quântica. Por fim, serão 
comentadas as principais dificuldades tecnológicas enfrentadas na construção de 
computadores quânticos e algumas pesquisas nesta área.
2HISTÓRICO
Em 1965 Gordon Moore, co-fundador da Intel, uma das principais fabricantes de 
microprocessadores, fez uma previsão que se tornou famosa sendo conhecida como 
Lei de Moore [1]. Segundo ele, o número de transistores de um microprocessador 
dobraria em intervalos de tempo aproximadamente constantes, entre um e três anos. 
Isto significa um avanço exponencial na evolução do processamento das máquinas. 
Incrivelmente, verificou-se que a lei foi válida desde então até os dias atuais, período 
no qual foi observado que o poder de processamento duplicou aproximadamente a 
cada 18 meses. A figura Figura 2.1 [2] mostra a evolução dos processadores da 
família Intel desde 1970.
Figura 2.1: Lei de Moore [2]
Apesar da espantosa evolução registrada nas últimas décadas, o princípio de 
funcionamento desses microprocessadores é o mesmo desde o início, sendo baseados 
na arquitetura de Von Neumann. Isto quer dizer que a forma de programá-los continua 
a mesma, assim como sua capacidade de resolução de problemas.
Além disso, acredita-se a tecnologia utilizada na fabricação de transistores esteja 
chegando ao seu limite físico. Atualmente são pesquisados transistores de algumas 
dezenas de nanômetros, que correspondem apenas a alguns poucos átomos. Sendo 
assim, é fisicamente impossível ir muito além disto. Outro problema enfrentado são 
os fenômenos físicos observados em sistemas de escalas atômicas, chamados 
fenômenos quânticos, bem diferentes dos que são conhecidos pela física clássica. 
Estes “estranhos” comportamentos também impõem restrições ao avanço da atual 
tecnologia.
Da idéia de justamente aproveitar essas características para fazer computação de 
um modo diferente surgiu, na década de 1980, a Computação Quântica [3], que 
ganhou força após a divulgação do algoritmo para fatoração de números utilizando 
princípios da computação quântica criado por Peter Shor em 1994. Este algoritmo 
demonstrou que computadores quânticos têm uma capacidade de computação 
incrível, pois foi possível reduzir a complexidade de um problema, cuja melhor 
solução conhecida em máquinas de Von Neumann é exponencial, para um algoritmo 
de tempo polinomial em uma máquina quântica.
3PRINCÍPIOS DA COMPUTAÇÃO QUÂNTICA
O modelo clássico de computador utiliza como elemento básico de informação o 
bit, que pode estar desligado, representado pelo estado 0 (zero), ou ligado, 
representado pelo estado 1 (um). A computação quântica introduz o conceito de qubit 
(bit quântico), que além dos dois estados tradicionais de um bit pode estar num estado 
de superposição coerente de ambos. É como se ele estivesse nos dois estados ao 
mesmo tempo ou como se houvesse dois universos paralelos e em cada um o qubit 
assumisse um dos estados tradicionais. Dois qubits possibilitariam realizar 
computação em quatro universos paralelos, três em oito e assim por diante, como 
mostra a Figura 2.1, onde Q representa um bit no estado de superposição.
Figura 3.2: Qubits [3]
Uma experiência que demonstra os princípios quânticos que inspiram este novo 
modelo de computação será descrita a seguir [4,5]. Um fóton, partícula de energia 
indivisível, é emitido em direção a um espelho semi-prateado, que reflete metade da 
luz que é emitida sobre ele e deixa passar a outra metade. Tratando-se de apenas um 
fóton, ele deveria seguir apenas um dos caminhos possíveis, sendo detectado por um 
dos detectores, como mostra a Figura 3.3, sendo exatamente isso que se observa na 
prática. Porém, no arranjo mostrado pela Figura 3.4, onde são dispostos dois espelhos 
semi-prateados e dois espelhos prateados, o fóton chega sempre no detector 1. A 
física quântica explica que na realidade é como se o fóton viajasse simultaneamente 
pelos dois caminhos mostrados pela figura, e no momento em que eles se encontram 
no segundo espelho semi-prateado ocorre uma interferência que faz com que o fóton 
chegue sempre no detector 1. O mais curioso é que quando se adiciona um bloqueio 
num dos caminhos (Figura 3.5) o fóton volta a ser detectado pelos dois detectores 
com a mesma probabilidade, exatamente como ocorre no experimento da Figura 3.3. 
Enquanto o fóton está percorrendo duas trajetórias, dizemos que ele está no estado de 
superposição. Quando a medição é feita, dizemos que ocorre a decoerência, que no 
caso dos qubits é quando assume um dos valores binários normais (0 ou 1).
Figura 3.3: Experimento (a) [4]
Figura 3.4: Experimento (b) [4]
Figura 3.5: Experimento (c) [4]
4APLICAÇÕES
A computação quântica permite que sejam criados algoritmos para resolução de 
certos problemas com uma menor complexidade do que os algoritmos conhecidos 
para computação clássica. Em 1994 Peter Shor desenvolveu um algoritmo capaz de 
fatorar números teoricamente de maneira eficiente. O problema da fatoração é 
classificado como intratável em computadores clássicos (NP),
pois o tempo de 
execução aumenta exponencialmente em relação ao tamanho do problema. Porém, 
utilizando o poder do paralelismo quântico ele pode ser resolvido de maneira 
eficiente (em tempo polinomial). Se fosse construída uma máquina capaz de executar 
este algoritmo com números grandes, ela seria capaz de quebrar sistemas 
criptográficos largamente utilizados atualmente.
A computação quântica poderia ajudar também a simular experimentos da física 
quântica, o que poderia ajudar inclusive na sua própria evolução.
Outra área onde a computação quântica poderia ser muito aplicada é a da 
Inteligência Artificial. Há quem diga que o cérebro humano, sendo composto por 
átomos e moléculas sendo regidos pelas leis da física quântica, poderia ser simulado 
por um computador quântico. Já outros pensam que ainda pode haver coisas mais 
complexas que a física quântica e que ainda desconhecemos.
5ARQUITETURAS
Computadores quânticos devem ser construídos com os menores elementos da 
matéria e energia. Sua estrutura básica de computação é formada por elétrons, fótons 
e até pelo spin do núcleo atômico.
Em 2001 a IMB demonstrou um computador quântico de 7 qubits, no qual foi 
executado o algoritmo de Shor para fatorar o número 15. O computador é formado 
por uma única molécula que possui 7 átomos cujos estados são determinados pelos 
spins de seus núcleos. Para manipular esses átomos e fazer a computação é utilizado 
um sistema de ressonância magnética nuclear, ou NMR (Nuclear Magnetic 
Resonance). Para que a molécula fique estável e se possa realizar a computação é 
necessário que o sistema fique resfriado próximo ao zero absoluto.
O problema desta técnica é que todos os qubits devem pertencer a uma mesma 
molécula e torna-se muito difícil a construção e manipulação de moléculas maiores. 
São pesquisadas alternativas para construção de computadores quânticos como o uso 
de pontos quânticos (quantum dots), que são spins de elétrons confinados em 
nanoestruturas semicondutoras. Os pontos quânticos são utilizados para formar 
células quânticas que podem ser combinadas para formar as portas lógicas. Assim, 
espera-se poder construir sistemas com maior escalabilidade.
6DIFICULDADES
Os mesmos princípios que dão este poder à computação quântica criam problemas 
que a torna muito difícil de tratar. Quando um qubit está no estado de coerência e 
sofre qualquer interação com o ambiente ele sofre uma decoerência e volta para um 
dos estados tradicionais (0 ou 1). Na prática, observa-se que a decoerência também 
ocorre após um certo período de tempo, o que impede computações muito extensas.
Por isso, faz-se necessário a utilização de técnicas de correção de erros. Porém é 
grande a dificuldade de se implementar essas técnicas visto que a simples leitura dos 
dados faz com que se perca o paralelismo da computação.
Ainda assim, a teoria de correção de erros quânticos afirma que se o estado de 
superposição puder ser sustentado por um por um determinado tempo seria possível 
fazer computações tão longas quanto se queira [6]. A técnica de NMR foi a que mais 
chegou mais próximo deste limiar, por enquanto.
7CONCLUSÃO
A computação quântica tem um potencial muito grande de revolucionar a 
resolução de problemas de alta complexidade na computação clássica. Porém, a 
dificuldade em lidar com estes fenômenos e principalmente conseguir uma 
arquitetura que seja escalável deixam ainda muita incerteza quanto ao sucesso destas 
máquinas. Grandes empresas, como a IBM, estão investindo em pesquisas nesta área 
e já criam os primeiros protótipos. Algoritmos para solução de problemas neste novo 
paradigma já estão sendo desenvolvidos e inclusive linguagens de programação estão 
sendo elaboradas.
Resta saber se os problemas conseguirão ser solucionados, se é uma questão de 
investimento e tempo ou existem restrições físicas que impediriam na prática a 
criação de máquinas realmente capazes de superar as atuais. Se isto for realmente 
possível talvez existam co-processadores quânticos que em conjunto com 
processadores de silício formassem os computadores do futuro, capazes de fazer 
previsão de tempo com maior precisão e otimizar sistemas combinatórios.
BIBLIOGRAFIA
[1] Tuomi, Ilkka. The Lives and Death of Moore’s Law – 
http://www.firstmonday.org/issues/issue7_11/tuomi/
[2] Technology & Research at Intel. Moore’s Law, The Future – 
http://www.intel.com/technology/silicon/mooreslaw/
[3] Bone, Simon; Castro, Matias. A Brief History of Quantum Computing – 
http://www.doc.ic.ac.uk/~nd/surprise_97/journal/vol4/spb3/
[4] Barenco, A.; Ekert, A.; Sanpera, A.; Machiavello, C. A short introduction to 
quantum computation – http://www.qubit.org/library/intros/comp/comp.html
[5] Revista Café Orbital. Computação Quântica: o que é isso? – 
http://www.on.br/revista_ed_anterior/maio_2004/conteudo/futuro/futuro.html
[6] Maguire, Y.; Boyden, E.; Gershenfeld, N. Toward a table-top quantum 
computer – http://www.research.ibm.com/journal/sj/393/part3/maguire.html
[7] Science Daily. IBM's Test-Tube Quantum Computer Makes History; First 
Demonstration Of Shor's Historic Factoring Algorithm – 
http://www.sciencedaily.com/releases/2001/12/011220081620.htm
	Sumário
	1Introdução
	2Histórico
	3Princípios da computação quântica
	4Aplicações
	5Arquiteturas
	6Dificuldades
	7Conclusão
	Bibliografia