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Junho/2013
 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
 Computação Quântica decorre da junção de:
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 Surgiu da necessidade de descrever
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 Funciona de maneira probabilística, onde não
se aplica a teoria clássica
 Não possui barramentos ou instruções, é uma
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 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
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
 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
 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)
 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
 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
 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)
 Sistemas criptográficos atuais não serão mais
seguros
 Chaves deverão ter mais bits do que os
qubits dos computadores quânticos mais
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(Algoritmo de Shor)
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 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
 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
 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.
 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
 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
 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
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  • 2.  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
  • 3.  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
  • 4.  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
  • 5. 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
  • 6.  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
  • 7.  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)
  • 8.  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
  • 9.  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
  • 10.  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)
  • 11.  Sistemas criptográficos atuais não serão mais seguros  Chaves deverão ter mais bits do que os qubits dos computadores quânticos mais poderosos 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
  • 12.  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
  • 13.  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
  • 14.  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.
  • 15.  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
  • 16.
  • 17.
  • 18.  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
  • 19.  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