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O que é computação quântica? (Parte 1)

Este post é a primeira parte sobre o que é computação quântica e o princípio de funcionamento do computador quântico. Estes computadores prometem substituir os atuais eletrônicos e têm um poder de processamento muito maior. 

Unidades de informação

Os computadores clássicos ou eletrônicos operam com unidades de informação chamadas de bits. Podem assumir valores 0 ou 1 e representam níveis baixo ou alto de tensão respectivamente.

A unidade de informação da computação quântica se chama qubit ou bit quântico. Este tipo de bit não assume valores definidos de 0 e 1, e sim, superposições de 0s e 1s, tendo uma probabilidade de ser 0 e outra de ser 1. Nos computadores quânticos, qubits representam spins de fótons, elétrons, átomos, íons ou um elétron em uma orbita ao redor de um átomo. Fótons são partículas de luz e íons são átomos com mais ou menos elétrons que seu estado eletricamente neutro.

Pode-se afirmar que computadores quânticos são uma das aplicações da spintrônica. Já escrevi um post sobre este assunto, clique no botão abaixo para ler.

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O poder da computação quântica

Um qubit pode ter os dois valores 0 e 1 devido a superposição. Com dois bits pode-se obter os seguintes números: 00, 01, 10 e 11, é necessário saber os dois valores de ambos os bits. Com dois qubits, é preciso saber quatro valores e pode fazer superposição dos números 00, 01, 10 e 11. Esta figura mostra os 4 valores em letras gregas, cada um representando uma superposição do spin dos dois elétrons.

O que isso significa? Significa que 2 qubits podem operar como 4 bits e 3 qubits como 8 bits, seguindo esta equação.

bit=2^N

N é o número de qubits. Isto mostra que o computador quântico terá um poder de processamento e capacidade de memória muito maior que os atuais computadores digitais. 600 qubits é a quantidade de informação equivalente a quantidade total de átomos no universo. Este processador quântico da imagem no início tem 2000 qubits.

Cálculos que leva um computador digital milhões de anos, para um computador quântico levaria poucos minutos.

Construindo qubits

Como construir qubits fisicamente? Os elétrons, fótons ou átomos devem ficar presos em algo chamado ponto quântico. Uma nanoestrutura que restringe o movimento das partículas. Um qubit no ponto quântico pode ser um íon de cálcio resfriado por laser em uma nanoestrutura com eletrodos de radiofrequência e DC para orientar o campo magnético.

Um ponto quântico em silício para manter elétrons.

Também pode ser um elétron de um átomo de fósforo em um cristal de silício que é parte de um transistor. Todos os qubits físicos precisam de duas coisas: forte campo magnético e temperaturas extremamente baixas. É necessário um solenóide (bobina) com fio supercondutor resfriado com hélio líquido (na figura abaixo) ou um laser resfriador.

Na temperatura ambiente, o spin da partícula é muito instável devido a energia térmica, portanto, deve ser resfriado próximo do zero absoluto, que é -273°C. Esta é a principal razão pelos computadores quânticos serem grandes e caros. Os spins podem ser controlados com pulsos de micro-ondas na frequência de ressonância da partícula. A largura do pulso controla a superposição do spin.

 

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