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Computação Quântica Rodrigo Pedro Werle Junho/2013

Computação quântica

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Page 1: Computação quântica

Computação Quântica

Rodrigo Pedro WerleJunho/2013

Page 2: Computação quântica

Computação Quântica Porque usar a Computação Quântica Máquina de Turing Quântica Qubit Registradores Quânticos Portas Lógicas Quânticas Algoritmo de Shor Algoritmo de Grover Primeiro Computador Quântico - ORION

Agenda

Page 3: Computação quântica

Computação Quântica decorre da junção de:

- Mecânica Quântica- Informática

Surgiu da necessidade de descrever fenômenos microscópicos

Funciona de maneira probabilística, onde não se aplica a teoria clássica

Não possui barramentos ou instruções, é uma arquitetura completamente nova

Computação Quântica

Page 4: Computação quântica

Levará a novas tecnologias que terão impactos amplos e profundos

Muitas das ciências e tecnologias já estão se aproximando do ponto em que precisam isolar, manipular e transmitir partículas (Lei de Moore)

Novos conhecimentos sobre os fenômenos e sistemas quânticos complexos podem ser gerados

Criptografia quântica nos leva a um novo patamar de segurança

Porque usar a Computação Quântica?

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David Deutsch– 1985: MTQ (Máquina de Turing Quântica)– 1989: publicou primeiro algoritmo quântico

- Máquina de Turing Clássica evoluida- Fita, cabeçote de leitura e gravação em um

estado quântico- Valores na fita podem ser 0, 1 ou uma

sobreposição de 0 e 1- Realização de vários cálculos de uma só vez

Máquina de Turing Quântica

Page 6: Computação quântica

Papel semelhante ao BIT Pode possuir dois valores ao mesmo tempo Devido a superposição de estados é

possível fazer um processamento simultâneo de informações

Enquanto o bit soma a informação de cada bit, uma sobreposição de qubits resulta na multiplicação de suas possibilidades

QUBIT

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Bit é igual à soma direta deles (1 + 1 + ... = n)

Qubit a informação armazenada por um conjunto de qubits cresce exponencialmente (2 x 2 x 2 ... = 2^n)

QUBIT

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Memória com pequena capacidade, mas rápida

Armazenamento temporário durante a execução de processamentos

Meio mais rápido e caro de se armazenar dados

Formados pelo agrupamento de qubits utilizando superposição de estados

Registradores Quânticos

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Os circuitos quânticos são projetados assim como os clássicos utilizando portas lógicas

Portas lógicas quânticas devem ser reversíveis garantindo assim que ao analisar a saída seja possível saber a entrada

Um exemplo de porta quântica é a operação C-NOT (não-controlado) que permite que um qubit a seja invertido se o qubit b for 1, essa operação implementa a definição de correlação, pois faz com que um qubit seja dependente do outro

Portas Lógicas Quânticas

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Criado em 1993 por Peter Shor para fatoração de grandes números

Fatores primos de um número composto N tinha seu algoritmo mais eficiente com complexidade O (e1/3*log(n^2/3)) na computação clássica

Utilizando o Algoritmo de Shor na computação quântica obtemos complexidade de O (n2 * log n * log log n)

Algoritmo de Shor

Page 11: Computação quântica

Sistemas criptográficos atuais não serão mais seguros

Chaves deverão ter mais bits do que os qubits dos computadores quânticos mais poderosos

Algoritmo de Shor

Tempo de Fatoração

(Algoritmo de Shor)

Número de bits a

ser fatorado

Tempo de Fatoração por

algoritmos clássicos

34 segundos 512 4 dias

4,5 minutos 1024 105 anos

36 minutos 2048 1017 anos

4,8 horas 4096 1035 anos

Page 12: Computação quântica

Criado em 1996 por Lov Grover Objetivo encontrar um elemento específico

em uma lista não ordenada com N elementos Proporcionando um ganho quadrático em

relação a um algoritmo clássico No algoritmo clássico temos que testar

elemento por elemento, no pior caso possível precisamos realizar N testes

Algortimo de Grover: Complexidade √N, o que o coloca como um algoritmo de classe B

Algoritmo de Grover

Page 13: Computação quântica

Fabricado pela empresa D-Wave e batizado com o nome de Orion, possui 16 qubits e é capaz de realizar tarefas práticas

Previsão de que o primeiro computador quântico seria criado apenas daqui a 20 anos

O Orion é baseado num único chip quântico. Sobre uma base de silício, esse chip abriga os 16 qubits

Primeiro Computador Quântico: ORION

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Qubits são formado por uma porção de nióbio circundada por uma bobina.

Quando a bobina é estimulada eletricamente, ela gera um campo magnético, que provoca alterações de estado nos átomos de nióbio. Essas mudanças de estado são captadas pelos circuitos e transformadas em dados.

Para processar informações, elas primeiro são convertidas em impulsos analógicos, que são enviados às bobinas.

Primeiro Computador Quântico: ORIONFuncionamento

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Depois, os sinais analógicos coletados são novamente convertidos em bits. Como os sinais analógicos podem sofrer interferências, um complexo filtro de 128 canais é usado para eliminar o ruído. Assim, o processador quântico pode interagir com circuitos digitais convencionais

O chip quântico precisa ser congelado a 4 milikelvins. Isso é feito por meio de um sistema de refrigeração com hélio líquido. O nióbio torna-se supercondutor nessa temperatura

Primeiro Computador Quântico: ORIONFuncionamento

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Primeiro Computador Quântico: ORION

Page 17: Computação quântica

Primeiro Computador Quântico: ORION

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A D-Wave é a principal produtora de computadores quânticos

O mais recente computador quântico possui 512 qubits de processamento

Ocupa uma sala blindada de 10 m2

O uso de silício é predominante nos periféricos utilizados pela tecnologia

Computador Quântico com 512 qubits

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Computação Quântica proporciona a finalização de problemas que antes eram impossíveis de serem resolvidos em tempo hábil

Surgimento do primeiro computador quântico prático Computador quântico de 439 qubits obteve melhor

desempenho que um computador clássico “top-end”, sendo 3600 vezes mais rápido ao executar cálculos envolvendo um problema de otimização combinatorial

Necessário diminuição dos periféricos necessários para o funcionamento do mesmo

Aprimoramento do poder de processamento que ainda está em plena evolução

Conlusões