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6 - Processador Quantico
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PROFESSOR: ANTONYALISON ANTONY RIBEIRO
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Um Computador Quântico é uma máquina que executa seu
processamento baseado nas propriedades quânticas da
matéria, criando um novo e revolucionário modo de
armazenar e tratar dados.
Algumas destas propriedades são tão fantásticas que só
existem a nível microscópico, não é possível descrevê-las com
exemplos práticos do mundo.
A teoria do Computador Quântico dentro da ciência da
computação existia desde a época de Albert Einstein (anos
50), mas somente nos anos 80 foram feitas as primeiras
tentativas de se construir algo semelhante ao magnífico
computador quântico.
ESTÁ ENTRE NÓS
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É possível destacar que a ciência da computação já saiu da era
Eletrônica e deu os primeiros passos na era Quântica, pois
atualmente já existem alguns protótipos construídos de
computadores com tais propriedades.
Alguns destes protótipos já estão em funcionamento dentro de
centros de pesquisa em Universidades, mas nenhum deles
provou ainda ser muito prático, pois necessitam de muita
energia ou mesmo de refrigeração extrema (algo em torno de
200 graus celsius abaixo de zero).
ESTÁ ENTRE NÓS
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Levando em conta o processamento dentro da ciência da
computação, o computador quântico é mais eficiente pois
trabalha com uma quantidade mais densa de informações ao
mesmo tempo.
Alguns problemas que um computador eletrônico levaria
milhares de anos para resolver, um computador quântico seria
capaz de resolver em alguns minutos.
O bit quântico é mais denso, pois ao contrário do bit
eletrônico tradicional que armazena 2 tipos diferentes de
estados, o bit quântico é capaz de armazenar 3 tipos:
COMPARAÇÃO ENTREBIT E QUBIT
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COMPARAÇÃO ENTREBIT E QUBIT
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Levando em conta a capacidade de
armazenamento de dados na ciência da
computação, um qubit pode armazenar muito mais
dados em muito menos espaço.
Veja como apenas alguns qubits armazenam a
mesma quantidade de informações que alguns
bilhões de bits:
CAPACIDADE DAMEMÓRIA
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CAPACIDADE DAMEMÓRIA
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O processador, de um modo resumido, é o núcleo
do computador, sendo o componente que realiza
todos os cálculos principais e operações da
máquina.
Confira abaixo as tecnologias básicas para se
construir um processador eletrônico e um
processador quântico:
CONSTRUÇÃO DOSPROCESSADORES
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CONSTRUÇÃO DOSPROCESSADORES
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Processador Eletrônico: É o processador presente no
computador pessoal, segue os conceitos da ciência da
computação tradicional, trabalhando basicamente com sinais
eletrônicos. É composto por 10 a 100 milhões de pequenos
transistores, estes transistores são organizados de modo a
formar estruturas complexas de processamento. Cada
transistor é capaz de trabalhar com 1 bit por vez.
Processador Quântico: É o processador que será usado nos
computadores quânticos, não segue os conceitos clássicos da
ciência da computação, trabalhando de um modo totalmente
inédito. É composto por alguns milhares de microanéis
supercondutores. Cada anel funciona de modo independente
um do outro, sendo capaz de processar vários qubits ao
mesmo tempo.
CONSTRUÇÃO DOSPROCESSADORES
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CONSTRUÇÃO DOSPROCESSADORES
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Embora ainda deva demorar um tempo considerável até que os
PCs quânticos cheguem ao mercado, testes comparativos
mostram que eles são muito mais potentes que qualquer
máquina convencional. Para provar isso, a fabricante D-Wave
decidiu calcular uma função matemática complexa usando
tanto uma máquina do tipo quanto três desktops comuns de
alto desempenho.
Segundo a New Scientist, levou cerca de meio segundo para
que a máquina baseada em princípios quânticos chegasse à
melhor solução possível. Durante esse período, o computador
repetiu o teste de 100 maneiras diferentes para se certificar de
que não havia uma forma melhor de realizar os cálculos.
Processador Quântico
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Mesmo quando equações mais complexas foram propostas, o
dispositivo levava exatamente o mesmo tempo para resolvê-
las. Em comparação, os desktops convencionais tiveram
dificuldades em lidar com um número superior a 100 variáveis
— o mais eficiente dele, conhecido como CPLEX, demorou
meia hora para chegar aos resultados do produto da D-Wave.
Na prática, isso significa que o computador quântico se
mostrou 3.600 vezes mais rápido em relação às máquinas
disponíveis atualmente no mercado. Vale notar que, até o
momento, dispositivos do tipo são construídos com o objetivo
de resolver problemas, enquanto os produtos que utilizamos
normalmente não são tão especializados nessa área — porém,
em todos os testes realizados, a superioridade da nova
tecnologia foi grande demais para poder ser ignorada.07:53
Processador Quântico
Números tão gigantescos e tarefas de proporções
inimagináveis custam realmente caro. Os computadores
quânticos já estão à venda há alguns anos. Os primeiros
modelos, fabricados sobre medida para algumas poucas
companhias (como a Google), traziam processadores de
128 qubits e custavam “apenas” US$ 10 milhões.
A D-Wave Systems já vem trabalhando há quase 15 anos
com a tecnologia, sendo a grande referência na área.
Infelizmente, a empresa não informa valores atualizados
em seu site, o que nos impede de obter dados sobre as
atuais máquinas. Tentamos contato com a companhia,
mas não tivemos respostas.
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CUSTO
De qualquer forma, valores antigos são suficientes para você
ter uma ideia do custo de uma tecnologia tão avançada. É
importante notar que mesmo havendo algumas máquinas no
mundo, a computação quântica não é algo tão simples de
utilizar. Mesmo com uma série de adaptações, não há
maneiras simples de transformar os qubits em bits visíveis.
O D-Wave One é uma coisa rara nesse sentido. O processador
dessa máquina foi especialmente adaptado para trabalhar com
a linguagem Python, o que possibilita aos administradores do
computador entenderem e acompanharem os cálculos que
estão sendo realizados — algo que era inviável anteriormente.
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CUSTO
O futuro da computação quântica ainda é bem
nublado, mas ao menos você não vai mais ficar se
iludindo para conhecer essa máquina que está por
vir. Quem sabe, em um tempo bem remoto, esses
PCs sejam o padrão doméstico.
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CUSTO
Usando técnicas de computação quântica, o dispositivo é
capaz de superar seus antecessores em potência e velocidade
ao mesmo tempo em que consome bem menos energia e
espaço físico
A computação quântica vem sendo exaltada como o futuro do
processamento de dados, com a capacidade de realizar
cálculos milhares de vezes mais rápido que os
supercomputadores atuais ao mesmo tempo em que consome
muito menos energia. Nos últimos dois anos, o único aparelho
a usar esse conceito que já estava comercialmente
disponível, o D-Wave One (DW1), dobrou sua já
surpreendente capacidade. E agora ele tem um sucessor que
o deixa no chinelo.
MÁQUINA DW2
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Com um hardware que o torna 300 mil vezes mais
poderoso que seu antecessor, o D-Wave Two (DW2)
atingiu 100 soluções em meio segundo durante um
teste comparativo, produzindo resultados 3.600
vezes mais rápidos que as workstations mais
avançadas rodando algoritmos de otimização CPLEX
top de linha. As outras máquinas necessitaram de
meia hora para atingir os mesmos resultados.
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MÁQUINA DW2
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COMO FUNCIONA
A computação quântica se diferencia do modelo clássico em
seu nível mais fundamental. Enquanto os computadores
tradicionais dependem dos estados de bits alternados de 1 e 0
para armazenar dados, os quânticos permitem que seus
“qubits” existam como 1, 0 ou ambos simultaneamente – o
que é chamado de superposição.
Dessa forma, enquanto um PC tradicional explora
sequencialmente as soluções potenciais de um problema de
otimização matemática, o sistema quântico observa todas as
soluções potenciais simultaneamente e fornece não apenas a
“melhor” resposta, mas também 10 mil alternativas
aproximadas em menos de um segundo, um processo
conhecido como “quantum annealing”.
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COMO FUNCIONA
Além disso, o modelo funciona de forma diferente dos
computadores tradicionais, que usam portões lógicos para
manipular os bits. O sistema D-Wave usa um portão
adiabático, que consegue ler os estado de menos energia dos
qubits para encontrar uma solução.
Quando o DW1 original foi lançado, em maio de 2011, ele
contava com um chip-set de 128 qubits – o que já é muitas
magnitudes mais rápido que a tecnologia de
supercomputadores existente – e foi prontamente comprado
por laboratórios de pesquisa e companhias de defesa
contratadas pelo governo norte-americano. No entanto, o
novo DW2 deixa tudo isso para trás, apresentando um arranjo
com nada menos que 512 qubits.
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COMO FUNCIONA
Cada qubit é um pequeno processador supercondutor que
explora efeitos mecânicos quânticos – que por sua vez são
amplificados à medida que mais qubits forem ligados entre si.
Caso todos os 509 qubits funcionais do DW2 estivessem
conectados uns aos outros, o sistema apresentaria poderes de
processamento com 100 ordens de magnitude a mais que seu
antecessor.
No entanto, como cada qubit do computador se comunica
diretamente apenas com outros sete, formando nodos de oito
que se ligam entre si, o DW2 acaba atingindo um desempenho
“apenas” 300 mil vezes maior do que o DW1. Nada de se jogar
fora, considerando o enorme poderio que a primeira versão já
possui.
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COMO FUNCIONA
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CUSTO DO PODER
Tanta força não vem sem alguns requisitos, no entanto, e o
DW2 precisa de condições bastante específicas para funcionar
– para não falar extremas. O aparelho opera a temperatura de
apenas 0,02 Kelvin, o que é algo 150 vezes mais frio do que as
profundezas do espaço interestelar e fica assustadoramente
perto do “zero absoluto”. Tudo isso em um vácuo 10 bilhões
de vezes mais baixo que a pressão atmosférica padrão.
O dispositivo sofre 50 mil vezes menos interferência
magnética graças aos escudos pesados colocados sobre ele.
Surpreendentemente, todos esses valores são atingidos com o
consumo de 15,5 kW e o aparelho ocupa um espaço de apenas
dez metros quadrados – o que é quase nada quando
comparado aos milhares de quilowatts e armazéns inteiros
tomados pelos supercomputadores tradicionais. 07:53
CUSTO DO PODER
Empresas e instituições de peso, como a Google, a NASA e a
Associação de Pesquisa Espacial das Universidades dos EUA,
adquiriram seus DW2 em maio do ano passado, o que ajuda a
explicar por que a Gigante das Buscas anda comprando
empresas de desenvolvimento de IA e robótica. A D-Wave
Systems não informa os preços do aparelho, mas a BBC estima
um custo de aproximadamente U$ 15 milhões (equivalente a
cerca de R$ 34,7 milhões).
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CUSTO DO PODER
Cientistas revelam resultados
inéditos em computação quântica
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Muitos especialistas acreditam que o futuro da tecnologia
será a computação quântica. O sistema, que utiliza um
processo de superposição de bits para aumentar a capacidade
de processamento de dados, tem ainda muitos desafios – em
termos práticos, teóricos e físicos – para resolver.
Cientistas da Oxford conseguiram, no entanto, avançar nas
pesquisas e obter um resultado inédito com essa mecânica de
computação. A equipe publicou um relatório de suas
experiências na revista Science, na qual há detalhes sobre a
manipulação dos qubits e sobre como aumentar o tempo de
processamento em estado quântico.
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Na computação tradicional, os dados são
armazenados em bits que guardam uma resposta
0 ou 1 de informação. Na computação quântica,
são utilizados os qubits, que podem conter esses
dois valores sobrepostos ao mesmo tempo. Isso
significa que esses computadores são capazes de
realizar múltiplas operações simultâneas e com
maior velocidade.
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Apesar disso, os bits quânticos são muito difíceis de serem
produzidos e controlados. A manipulação de partículas com
cargas em sobreposição exige condições específicas do
ambiente – a mais crítica entre elas é a necessidade de
baixíssimas temperaturas. Até agora, as experiências com
qubits alcançavam apenas 3 minutos de processamento em
temperatura ambiente, antes de eles perderem seu estado
quântico. Porém, os pesquisadores de Oxford conseguiram
produzir uma condição favorável para ampliar esse tempo
dos qubits em até 39 minutos dentro de uma temperatura
normal.
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QUBITS EM BAIXAS TEMPERATURAS
Apesar de todos os bits quânticos nessa experiência
permanecerem no mesmo estado físico (sem alteração e,
portanto, incapazes de realizar cálculos), esse é um passo
muito importante da comunidade científica na produção de
um computador quântico comercialmente viável.
Futuramente, todos os aparelhos computacionais que
conhecemos devem utilizar um mecanismo de processamento
de dados com base nos bits quânticos. A velocidade de
cálculo poderá ser dezenas de milhares de vezes maior do
que estamos acostumados com a computação tradicional.
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QUBITS EM BAIXAS TEMPERATURAS
