Calculadora quântica

Um computador quântico ( computador quântico em inglês, às vezes resultando em computador quântico ou sistema de computação quântica ) usa as propriedades quânticas do material , como superposição e emaranhamento , a fim de realizar operações nos dados. Ao contrário de um computador convencional baseado em transistores trabalhando em dados binários (codificados em bits , iguais a 0 ou 1), o computador quântico funciona em qubits cujo estado quântico pode ter um número infinito de valores.

Os pequenos computadores quânticos foram construídos a partir da década de 1990 . Até 2008, a maior dificuldade diz respeito à realização física do elemento básico: o qubit . O fenômeno da decoerência (perda dos efeitos quânticos ao passar para a escala macroscópica) retarda o desenvolvimento dos computadores quânticos. O primeiro processador quântico foi criado em 2009 na Universidade de Yale : ele compreende dois qubits, cada um composto por um bilhão de átomos de alumínio colocados em um suporte supercondutor.

Este campo é apoiado financeiramente por várias organizações, empresas ou governos devido à importância da aposta: pelo menos um algoritmo projetado para usar um circuito quântico, o algoritmo de Shor , tornaria possível muitos cálculos combinatórios fora do alcance de 'um computador clássico no estado atual de conhecimento. A possibilidade de quebrar os métodos criptográficos tradicionais é frequentemente apresentada.

Interesse de calculadoras quânticas

A Lei de Moore empírica estimou que o tamanho dos transistores se aproximaria do átomo em 2020 . Já em 2015, a Intel encontrou dificuldades inesperadas que a fizeram atrasar em seis meses sua série Skylake gravada em 5 nanômetros, o primeiro atraso observado na famosa lei. Abaixo de 8 nanômetros, acredita-se que os efeitos quânticos interrompam a operação de componentes eletrônicos, embora circuitos faturados como 7 nanômetros sejam anunciados pelos concorrentes da Intel em 2020.

A (eventual) construção de grandes computadores quânticos (mais de 300 qubits ) permitiria, de acordo com David Deutsch, certos cálculos serem feitos mais rápido do que um computador convencional maior do que o próprio Universo observável .

As calculadoras quânticas requerem diferentes técnicas de programação, mas fazem uso extensivo da álgebra linear clássica para simultaneamente condicionar e processar conjuntos de dados vinculados, além de um pequeno computador clássico externo apenas para operações em cadeia.

Quer a realização de computadores quânticos de tamanho interessante seja possível ou não no longo prazo, seu primeiro futuro comercial provavelmente não seria em aplicações públicas em geral: a computação quântica requer poucas entradas e poucas saídas. Portanto, ele se presta a priori apenas para cálculos cuja complexidade reside na combinatória . Esses problemas são encontrados em programação e outros cálculos de pesquisa operacional , em bioinformática e, claro, em criptografia . O baixo volume de insumo-produto em relação ao processamento, entretanto, torna plausível e até mesmo indicada sua utilização à distância pela Internet . Alguns são, assim, disponibilizados aos pesquisadores por meio da empresa Amazon

A combinação é o campo de aplicação de mapas futuros da computação quântica. Portanto, pode ser muito difícil encontrar todos os fatores primos de um grande número (por exemplo, 1000 dígitos). Este problema de fatoração é difícil para um computador comum por causa da explosão combinatória . Um circuito de computação quântica poderia resolver este problema em tempo polinomial, ou seja, para o computador quântico, a dificuldade aumentaria polinomialmente ao invés de aumentar exponencialmente.

Uma possível analogia é representar um computador quântico como um processador SIMD ( placa gráfica , por exemplo) cujo número de pipelines seria vezes o número N de qubits. A analogia termina aí, um computador quântico sendo capaz de fornecer apenas um bit de resultado por vez (o estado quântico sendo destruído pela observação), após o que o cálculo deve ser reiniciado para solicitar o próximo bit. Um resultado de tamanho, portanto, leva apenas tempo em O (N log (N)), que é consideravelmente mais rápido do que a combinatória clássica, pois o valor de N se torna grande, mesmo que seja apenas da ordem de um bilhão. $2 ^ {N}$ $2 ^ {N}$

Criptografia

Assim a criptanálise seria muito mais rápida do que com um computador convencional, pois aumenta linearmente (em N ) com o tamanho N da chave, e não exponencialmente (em 2 N , por exemplo) como nos métodos de força bruta , sequencial ou mesmo massivamente paralelizado com CUDA , mesmo em computadores muito especializados. De fato, para quebrar uma criptografia baseada no uso de números primos, os computadores atuais, mesmo os paralelizados, devem resolver esse problema em um tempo de computação que aumenta exponencialmente com o comprimento da chave. Este caráter exponencial desaparece quando se passa da base binária (sistema atual com os bits) para uma base de tamanho arbitrário e alto graças ao qubit.

As grandes capacidades de fatoração permitiriam, portanto, a um computador quântico quebrar muitos sistemas criptográficos atualmente em uso, em particular a maioria dos métodos de criptografia assimétricos: RSA , ElGamal ou Diffie-Hellman . Esses algoritmos são usados para proteger páginas da web, mensagens de e-mail e muitos outros tipos de dados. Ter sucesso em quebrar essas proteções seria uma grande vantagem para a organização ou o país que tivesse sucesso, e uma reedição do feito conquistado para quebrar os códigos Enigma .

A única maneira de tornar um algoritmo como o RSA seguro é aumentar o tamanho da chave de acordo com a evolução das tecnologias que permitem que chaves cada vez mais longas sejam quebradas, ao mesmo tempo que desaceleram a codificação das mensagens nas redes dos usuários. Essa chave deve ser maior do que o maior dos circuitos de computação quântica existentes. No entanto, o tamanho dos recursos de computação disponíveis para a Agência de Segurança Nacional, por exemplo, obviamente nunca será tornado público. A conseqüência é que os países ou organizações que desejam se proteger verão o custo e o atraso de suas comunicações aumentar em várias ordens de magnitude , mesmo sem saber se é útil para alguma coisa, e ao custo de uma grande reorganização das comunicações, seu custo e sua conveniência.

Significa que a criptografia quântica já existe no mercado. Eles não requerem um computador quântico, simplesmente uma implementação mais complexa do que uma criptografia padrão, mas tornam qualquer interceptação de mensagem imediatamente detectável alterando seu estado quântico.

Criptografia quântica

Se as transmissões quânticas se tornassem comuns no futuro, elas poderiam fornecer privacidade total. Na verdade, não podemos fazer uma cópia exata do estado emaranhado de um qubit: essa regra é conhecida pelo nome de teorema da não clonagem . Se um nó intermediário tentar copiar um pedido quântico, ele necessariamente o interromperá. O remetente da solicitação poderá detectar a possível existência desse distúrbio. No entanto, esta questão também levanta a questão da viabilidade de repetidores.

Inteligência artificial

Resolver tarefas como visão computacional com reconhecimento de formas complexas de objetos deu mais um passo em 2016-2017. Acadêmicos Califórnia treinou um D-Wave 2X computador (processador 1152-qubit) para aprender a reconhecer árvores de centenas de imagens de satélite de Califórnia, em última análise, com 90% de resultados corretos, ou um pouco mais preciso do que com um computador convencional.

Simulação de física quântica e física de partículas

Os circuitos quânticos já estão sendo usados para simulações de mecânica quântica e física de partículas, uma função para a qual Richard Feynman os havia originalmente imaginado. Eles são muito úteis aqui, porque os cálculos quânticos se tornam complexos assim que saímos de alguns casos triviais.

Previsão financeira

Calculadoras quânticas são projetadas para estudar a natureza estocástica dos mercados financeiros e construir novos modelos de previsão. Essas novas ferramentas permitiriam avaliar a distribuição dos resultados em um grande número de cenários gerados aleatoriamente.

Previsão do tempo

Hartmut Neven, do Google, observa que os computadores quânticos podem ajudar a construir melhores modelos climáticos. O Serviço Nacional de Meteorologia do Reino Unido já começou a investir nessas novas tecnologias.

Outros algoritmos

Outro algoritmo, com ganho menos espetacular, foi descoberto posteriormente: a busca rápida de banco de dados quântico (em inglês: busca de banco de dados quântico ) pelo algoritmo de Grover . Em vez de percorrer todos os itens de uma lista para encontrar aquele que melhor atende a um critério (por exemplo: pesquisar uma pessoa no diretório para encontrar seu número de telefone), este algoritmo usa propriedades de sobreposição para que a pesquisa seja realizada em de forma abrangente. Os resultados devem ser em , N sendo o número de registros (e O representando a comparação assintótica ), ou melhor do que um banco de dados clássico não otimizado, sujeito a ter um registro quântico de tamanho suficiente para os cálculos. ${\ displaystyle \ mathrm {O} ({\ sqrt {N}})}$

Em 2009, Harrow, Hasidim e Lloyd oferecem um algoritmo de resolução (in) linear de sistemas com ganho exponencial. Emdezembro de 2015O Google anunciou que implementou em uma máquina D-Wave o algoritmo quântico simulado annealing (in) proposto em 1994 por Finilla, Gomez Sebenik e Doll. A implementação feita é cem milhões de vezes mais rápida do que uma implementação padrão de recozimento simulado.

Em resumo, os circuitos de computação quântica trariam uma vantagem para os computadores clássicos em vários tipos de aplicações:

decomposição em produto de fatores primos ;
cálculo de logaritmo discreto ;
simulações de física quântica;
resolução de sistemas lineares;
minimização de funções;
pesquisa em um banco de dados.

Histórico

Seguindo o trabalho de Rolf Landauer sobre a reversibilidade lógica e física do processo computacional, Charles Bennett por um lado, Edward Fredkin e Tommaso Toffoli por outro, apresentam independentemente modelos de computadores que comprovam a viabilidade prática de tais cálculos. A reversibilidade lógica corresponde aqui à possibilidade de desfazer uma a uma as operações lógicas realizadas pela aplicação da instrução reversa, enquanto a reversibilidade física implica a ausência de dissipação de energia, portanto, a ausência de uma operação destinada a apagar uma informação ( princípio de Landauer ).

No entanto, sendo as leis fundamentais da física reversíveis (a substituição do tempo pelo seu oposto não altera substancialmente a forma das equações), a reconciliação entre a teoria quântica e o processo de cálculo é registrada por Paul Benioff em 1980 quando descreve um computador .de conceitos quânticos, em particular do operador hamiltoniano . Na Rússia, Yuri Manin fez uma proposta semelhante, mas não foi retransmitida no Ocidente por falta de tradução. $t$ ${\ displaystyle -t}$

Em 1981, Rolf Landauer, Edward Fredkin e Tommaso Toffoli organizaram a primeira Conferência de Física Computacional na Casa Endicott do MIT, que reuniu cerca de quarenta físicos, cientistas da computação, engenheiros e curiosos. Richard Feynman faz um discurso focado na ideia de simular exatamente a mecânica quântica, uma tarefa impossível para os computadores clássicos. Ele é logo seguido por David Albert .

Por sua vez, David Deutsch , imagine em 1979 um computador baseado na mecânica quântica, a fim de testar a teoria dos universos múltiplos de Hugh Everett III . No entanto, seu artigo não foi publicado até 1985, antes de um segundo texto no qual Deutsch expôs um problema para o qual o paralelismo quântico forneceria uma resolução certa e mais rápida do que um computador convencional. Em 1992, David Deutsch e Richard Jozsa escreveram o algoritmo de mesmo nome em resposta a esse problema.

A ideia de Feynman era: "Em vez de reclamar que a simulação de fenômenos quânticos requer enormes poderes de nossos computadores atuais, vamos usar o poder de computação dos fenômenos quânticos para superar nossos computadores atuais."

Até meados da década de 1990, os físicos estavam divididos quanto à possibilidade de uma realização prática, em parte por causa do fenômeno de interação do sistema quântico com seu ambiente, que causa descoerência e perda total ou parcial das informações calculadas.

Milho :

em 1994 , Peter Shor , pesquisador da AT&T , mostra que é possível fatorar grandes números em um tempo razoável usando uma calculadora quântica. Esta descoberta de repente desbloqueia créditos. Shor propôs no ano seguinte um dos primeiros códigos de correção de erros adaptados a sistemas quânticos;
em 1996 , Lov Grover , inventou um algoritmo usando um circuito de computação quântica (teórica) que torna possível encontrar uma entrada em um banco de dados não classificado em ; ${\ displaystyle \ mathrm {O} ({\ sqrt {N}})}$
em 1998 , a IBM foi a primeira a apresentar um computador quântico de 2 qubit ;
em 1999 , a equipe da IBM usou o algoritmo de Grover em uma calculadora de 3 qubit e bateu esse recorde no ano seguinte com uma calculadora de 5 qubit;
em 2001 , o CEA desenvolveu um chip de silício usando três nanojunções Josephson chamadas quantrônio: duas junções servem como um qubit , a terceira serve como um instrumento de medição. Para qubits, esses circuitos eletrônicos contêm estados de spin em pontos quânticos semicondutores. No longo prazo, esses sistemas “sólidos” oferecem perspectivas interessantes para integração em larga escala;
a 19 de dezembro de 2001, A IBM cria um computador quântico de 7 qubit e fatora o número 15 usando o algoritmo de Shor . Esses computadores de 7 qubit são construídos em torno de moléculas de clorofórmio e sua vida útil não excede alguns minutos. Falamos com escárnio do wetware ;
em 2006 , Seth Lloyd , professor do Massachusetts Institute of Technology (MIT), pioneiro da computação quântica e autor do livro Programming the Universe , menciona na edição de agosto de 2006 da revista Technology Review ( p. 24 ) a existência de 12 - computadores quânticos qubit;
em abril de 2006, o Instituto de Processamento de Informação Quântica da Universidade de Ulm, na Alemanha, apresentou o primeiro microchip linear tridimensional europeu que captura vários átomos de Ca + ionizados isoladamente;
em 13 de fevereiro de 2007, a empresa D-Wave anunciou oficialmente que havia produzido um computador quântico de base sólida de 16 qubit;
em 14 de dezembro de 2007 , a Universidade de Queensland anuncia o trabalho em circuitos quânticos ópticos;
em abril de 2008 , um artigo publicado na Scientific American relata um avanço em direção a uma calculadora quântica usando o efeito Hall quântico fracionário ;
em 2009 , pesquisadores da Universidade de Yale criaram o primeiro processador quântico transistorizado de 2- qubit rudimentar capaz de executar algoritmos básicos;
em 14 de abril de 2009, a empresa D-Wave anuncia um chip quântico de 128 qubits
em 28 de junho de 2009 , a revista Nature relata a realização por uma equipe da Universidade de Yale de um circuito de computação quântica sólido que pode eventualmente ser usado em um computador quântico. Cada um dos dois qubits que o compõem é feito de mais de um bilhão de átomos de alumínio , mas esses dois qubits atuam como um que poderia ocupar dois estados de energia diferentes;
em 2010 , uma equipe da University of Bristol criou um processador óptico quântico, em silício , capaz de executar o algoritmo de Shor ;
a 3 de março de 2011, físicos da Universidade de Sherbrooke encontram um novo algoritmo quântico importante. Em 2011, o dispositivo mais complexo foi desenvolvido na Universidade de Innsbruck e tem 14 qubits;
em 2011, a empresa D-Wave anuncia a primeira comercialização de computador quântico o "D-Wave One". Em 25 de maio de 2011, a empresa Lockheed Martin compra o primeiro "D-Wave One", que será a NASA.
em 2012 , Enrique Martín-López, Anthony Laing, Thomas Lawson, Roberto Alvarez, Xiao-Qi Zhou e Jeremy L. O'Brien, da Universidade de Bristol, criaram um dispositivo quântico óptico, capaz de fatorar o número 21 executando o algoritmo de Shor ;
em maio de 2013, o Google lançou o Quantum Artificial Intelligence Lab , hospedado pelo Ames Research Center da NASA, com um computador quântico D-Wave de 512 qubit. Em seguida, a USRA ( Universities Space Research Association ) convida pesquisadores a participarem do projeto e a estudar computação quântica, em particular para aprendizado de máquina;
em janeiro de 2014 , o Washington Post revelou, com base em documentos fornecidos por Edward Snowden , que a NSA tem um programa de pesquisa de US $ 79,7 milhões (chamado " Penetrating Hard Targets ") destinado a desenvolver um quantum de computador, que a princípio permitiria espionar de forma transparente nas comunicações criptografadas de empresas e Estados. No entanto, parece improvável que a técnica necessária seja desenvolvida, ou em processo de ser;
em 2014 , um grupo de pesquisadores da ETH Zürich , USC , Google e Microsoft realizou testes no D-Wave Two . Os pesquisadores relatam que não puderam medir ou descartar a aceleração quântica;
em 2014 , pesquisadores da University of New South Wales conseguiram usar o silício como escudo em torno dos qubits, tornando-os mais precisos e aumentando o tempo de retenção das informações. Isso poderia facilitar a construção de computadores quânticos a longo prazo;
após os avanços técnicos anunciados por uma equipe australiana, Brian Snow, ex-diretor técnico da NSA , alerta contra a possível perda a longo prazo de todo o sigilo das transmissões na Internet;
em abril de 2015 , os cientistas da IBM tornaram públicas duas descobertas críticas para a realização de um computador quântico. Os pesquisadores foram capazes de detectar e medir os dois tipos de erros quânticos simultaneamente. Os pesquisadores também desenvolveram um novo projeto de um circuito de bits quânticos que poderia ser usado para um número maior de qbits ;
em julho de 2015 , 2 pesquisadores afirmam ter encontrado um algoritmo quântico que resolve o problema SAT em tempo polinomial ;
em outubro de 2015 , pesquisadores da University of New South Wales construíram pela primeira vez uma porta lógica quântica em silício ;
primeiro trimestre de 2016: a revista Nature Photonics informa que pesquisadores "do CNRS , da Universidade de Paris Diderot e da Universidade de Paris-Sud" estão avançando um caminho usando fótons, desenvolvendo uma fonte de pares de fótons emaranhados "15 vezes mais brilhante do que o normal origens ";
A IBM anuncia no segundo trimestre de 2016 que disponibilizará recursos de computação quântica pela Internet;
em agosto de 2016 , cientistas da Universidade de Maryland construíram com sucesso o primeiro computador quântico reprogramável;
26 de outubro de 2016 A descoberta de partículas semelhantes com férmions de Majorana é anunciada como a abertura de novas rotas possíveis para a computação quântica;
em outubro de 2016 , a Universidade de Basel descreveu uma variante de um computador quântico baseado em buracos de elétrons que, em vez de manipular spins de elétrons, usa buracos de elétrons em um semicondutor de baixa temperatura que são muito menos vulneráveis à decoerência . O protótipo foi chamado de computador quântico “positrônico” porque a quase-partícula se comporta como se tivesse uma carga elétrica positiva;
7 de novembro de 2016 : a empresa Atos chefiada por Thierry Breton está lançando um programa de simulação de computação quântica para que os algoritmos sejam desenvolvidos e prontos assim que os circuitos quânticos gerais estiverem disponíveis. O computador seria simulado enquanto aguardava essa disponibilidade no supercomputador Bull Sequana (abril de 2016) que deveria atingir 1 exa FLOPS , ou 10 18 operações flutuantes por segundo;
22 de novembro de 2016 : A Microsoft anuncia que a computação quântica está agora no topo de suas prioridades e que vê mais futuro do que os PCs ;
em 2016, o professor Gérard Berry, do Collège de France, lembra que a máquina atual da D-Wave não é um computador quântico geral, mas otimizado para um tipo de computação chamado recozimento simulado, que se presta bem à computação quântica. Sem minimizar o alcance dessa conquista, ele nos convida a colocar em perspectiva, por enquanto, qualquer entusiasmo prematuro.

2017

Em 2017 , avanços no Google , Intel e vários outros grupos de pesquisa sugerem que a realização de computadores quânticos com qbits altos pode estar acessível dentro de 4 a 5 anos. Isso é possível, em particular, pela maior disponibilidade de financiamento de empresas como Google, IBM , Intel e Microsoft para a pesquisa e o desenvolvimento das várias tecnologias necessárias para criar um computador quântico funcional.

De acordo com Harmut Neven , chefe de pesquisa de computação quântica do Google, sua equipe está prestes a construir um sistema de 49 qubit até o final do ano. O número de cerca de 50 qubits corresponde ao limite, conhecido como supremacia quântica , além do qual nenhum supercomputador convencional seria capaz de lidar com o crescimento exponencial da memória e da largura de banda de comunicação necessária para simular seu equivalente quântico. Em outras palavras, os supercomputadores podem atualmente dar os mesmos resultados que os computadores quânticos de 5 a 20 qubits, mas a partir de 50 qubits torna-se fisicamente impossível.

De acordo com Neven, sistemas de 100.000 qubit revolucionariam as indústrias de materiais, química e farmacêutica, tornando possíveis modelos moleculares extremamente precisos. Um sistema de um milhão de qubits, cujas aplicações gerais de computação ainda são difíceis de entender, seria até concebível em 2027.

em março de 2017, pesquisadores da Universidade de Maryland conseguiram implementar em um computador quântico programável um algoritmo de pesquisa desenvolvido 20 anos antes, em 1996, pelos laboratórios Bell . Este trabalho abre caminho para experimentos mais ambiciosos, como descriptografia ;
Em maio de 2017 , a IBM apresenta novos sistemas equipados com 16 e 17 bits quânticos (qubits) de volume quântico, o que representa uma melhoria significativa em relação aos sistemas anteriores de 5 qubits. Nesta ocasião, a IBM confirmou seu objetivo de aumentar seus sistemas para 50 qubits ou mais nos próximos anos. A IBM permite que os pesquisadores testem seus algoritmos nesses novos sistemas graças a um serviço online.
Junho de 2017 : 20 de junho, a Rigetti Quantum Computing Inc. abre sua fábrica Fab-1 para produzir wafers de silício ("wafers") destinados à computação quântica
Julho de 2017 : no dia 4 de julho, em Bruxelas, é lançada a comercialização do ATOS QLM (Quantum Learning Machine), permitindo a simulação de 30 qubits por 100.000 euros. O QLM pode ser estendido para 40 qubits adicionando módulos planos empilháveis como caixa de pizza . Seus processadores não têm mais de vinte núcleos, mas carregam centenas de gigabytes de RAM.
Em Moscou, no mesmo mês, o primeiro simulador quântico de 51 qubit do mundo foi apresentado por Mikhail Lukin e alguns cientistas russos e americanos da Universidade de Harvard sob sua liderança. O simulador quântico de Lukin não é um computador quântico universal e o sistema é projetado apenas para resolver uma equação específica que modela as interações entre certos átomos.
Setembro de 2017 : a IBM consegue simular com precisão a estrutura molecular do hidreto de berílio (BeH 2 ) em um computador quântico. Este trabalho mostra a utilidade dos computadores quânticos na determinação do estado de menor energia (estado não excitado) das moléculas. Em última análise, esse trabalho poderia permitir determinar, por exemplo, a estrutura e a função das proteínas muito mais rápido do que hoje. A química e a medicina se beneficiarão muito com o desenvolvimento de computadores quânticos.
Outubro de 2017 : a empresa Intel, por sua vez, anuncia um circuito de computação quântica de 17 qubit.
Novembro de 2017 : a IBM consegue executar uma calculadora de 50 qubit por 90 microssegundos, atingindo o limite teórico da supremacia quântica .
em 2017: a empresa D-Wave anuncia a comercialização de um computador quântico de 2.000 qubits.

2018

janeiro de 2018 : A Intel, por sua vez, apresenta uma calculadora de 49 qubit na CES 2018 .
Março de 2018 : o Google revela o Bristlecone, um processador quântico de 72 qubit, na reunião anual da American Physical Society em Los Angeles .
Julho de 2018 : a Atos apresenta uma versão 41 Qubit de sua máquina de aprendizagem Atos Quantum.

2019

Janeiro de 2019 : IBM revela na CES o primeiro computador quântico "compacto" de 20 qubits chamado IBM System One Q (in) . Representa um cubo de vidro de 2,74 metros quadrados (volume de 20 m 3 ). No interior, além dos componentes eletrônicos, estão um tanque de hélio líquido e todo um equipamento criogênico que deve permitir que os qubits ( bits quânticos , a forma assumida pela informação nos computadores quânticos) funcionem nas condições que lhe são específicas, ou seja, uma temperatura próxima do zero absoluto .
Outubro de 2019 : o Google anuncia que alcançou a supremacia quântica, em parceria com a NASA e o Oak Ridge National Laboratory (ORNL), usando um computador de 53 qubit chamado Sycamore.

2020

Em março de 2020 , a Honeywell Company anunciou resultados promissores com íons de ítrio .
Junho de 2020 : A Atos fornece o QLM-E, um novo simulador quântico 12 vezes mais poderoso do que seu modelo anterior.
Julho de 2020 : é aprovada a substituição da noção de qubit pela de volume quântico levando em consideração a taxa de erro, proposta pela IBM e adotada pela Honeywell.
Dezembro de 2020 : A Universidade de Ciência e Tecnologia da China reivindica um novo recorde na velocidade de computação oferecida pela computação quântica.

Projetos atuais

Muitos projetos estão em andamento ao redor do mundo para construir qubits concretamente viáveis e colocá-los juntos em um circuito. Esta pesquisa envolve física teórica avançada. Os seguintes projetos parecem estar avançando em um ritmo interessante:

circuitos supercondutores com junção Josephson , uma tecnologia na qual a IBM investiu para a computação clássica nos anos 1978-1985. Esta técnica permitiria considerar circuitos suficientemente resistentes à decoerência. No momento, só permite que dois qubits sejam acoplados, no máximo, mas há pesquisas em andamento para acoplar mais usando um ressonador e um SQUID ;
os íons presos ; esta técnica permitiu o sistema com os qubits mais emaranhados. ;
a ressonância magnética nuclear ;
átomos de um condensado de Bose-Einstein preso em uma rede óptica ;
as cavidades ópticas ou ressonantes de microondas;
os pontos quânticos ("pontos quânticos" em inglês): são sistemas macroscópicos que possuem, no entanto, características quânticas necessárias ao desenvolvimento de um computador quântico. Esses sistemas às vezes são chamados de átomos artificiais. Essa técnica usa materiais comuns na indústria de semicondutores : silício ou arseneto de gálio . É subdividido em dois ramos: um explorando a carga elétrica dos qubits, o outro seu spin (veja o artigo spintrônica ).
muitos outros projetos mais ou menos avançados.

Vários projetos parecem suscetíveis à exploração industrial, mas os problemas básicos permanecem. A pesquisa é, portanto, realizada para obter um computador quântico de base sólida, como são nossos microprocessadores atuais. Entre outras coisas, essa pesquisa levou a Universidade de Michigan a um chip de computação quântica capaz de ser produzido em massa nas linhas de produção existentes. Este chip permite isolar um íon e fazê-lo levitar em um espaço confinado, dentro do chip.

Prêmio Nobel 2012

O Prêmio Nobel de Física de 2012 foi concedido em conjunto a Serge Haroche e David Wineland por seu trabalho conjunto na manutenção e observação de qubits.

Princípio de operação de computadores quânticos

A operação de computadores quânticos é determinística, enquanto a mecânica quântica é mais conhecida por seu aspecto probabilístico.

Um circuito computacional quântico, ou localização de memória, pode ser implementado a partir de qualquer partícula que pode ter dois estados que são excitados e não excitados ao mesmo tempo . Eles podem ser construídos a partir de fótons presentes em dois lugares ao mesmo tempo, ou de prótons e nêutrons com spin positivo ou negativo ou considerados como tendo ambos ao mesmo tempo até que sejam observados.

Essa "névoa de valores" só adquire significado se for possível estabelecer um cálculo fazendo com que convirja para um estado determinístico (por exemplo "Sim ou não, o 432º dígito da chave pode ser um 7?" )

Idéias de mecânica quântica

As funções de onda , que descrevem o estado de um sistema, são o resultado de cálculos determinísticos . A origem do perigo está no próprio ato de observação , ou seja, a medição . Como resultado de uma medição, o sistema quântico se fixa em um estado clássico com uma certa probabilidade. Podemos eliminar essa incerteza formulando expressões que só se traduzem em sim ou não (por exemplo: “esta combinação é compatível com a chave” / “esta combinação não pode ser a chave.” Para alguns algoritmos, é necessário realizar os cálculos várias vezes até que a resposta satisfaça uma determinada propriedade.

Na mecânica quântica , uma partícula pode ter vários estados simultaneamente: o estado da partícula é uma superposição de estados possíveis. Este princípio é ilustrado pela metáfora do gato de Schrödinger que está, antes da observação , morto e / ou vivo.

A mecânica quântica não explica nossa ignorância do sistema, mas descreve objetivamente seu estado. As partículas em poder (elas só estarão após a detecção) têm esse estado sobreposto e segue algumas propriedades incomuns em nossa escala. Uma medição em um sistema quântico fixaria o sistema, com probabilidades dadas pela função de onda , em um dos estados possíveis então observáveis por todos os outros observadores sem perigo. A interpretação de Everett oferece um possível significado desse fenômeno. Um cálculo quântico é de interesse prático apenas se o algoritmo que o controla puder forçar cada qubit da resposta procurada (ou seja, o sinal de saída do computador), uma chave de criptografia , por exemplo, para um dos valores 0 ou 1 com uma probabilidade de 1 . Esses algoritmos, como os de Grover e Shor, existem.

O qubit

A memória de um computador clássico é feita de bits . Cada bit carrega 1 ou 0. A máquina calcula manipulando esses bits. Um circuito de computação quântica funciona em um conjunto de qubits . Um qubit pode carregar um ou um zero, ou uma superposição de um e um zero (ou, mais exatamente, carrega uma distribuição de fase , ângulo que para 0 ° faz com que tome o valor 1, para 90 ° o valor 0, e entre os dois a superposição de estados nas proporções de sen 2 e cos 2 da fase). O computador quântico calcula manipulando essas distribuições. Portanto, não temos dois estados em tudo, mas em teoria um infinito.

No entanto, esse infinito só pode ser usado em função, por um lado, da precisão da medição e, por outro lado, de sua taxa de erro, o que levou a IBM a reduzir o número bruto de qubits para o que é utilizável. com precisão, chamado de volume quântico .

O estado de vários qubits combinados não é apenas uma combinação dos respectivos estados dos qubits. De fato, se um qubit está em qualquer superposição de estados , dois qubits combinados estão, por sua vez, em uma superposição de estados , com . Desta vez, é uma questão de usar a superposição dos quatro estados para o cálculo. É por isso que o poder de computação teórico de um computador quântico dobra cada vez que um qubit é adicionado a ele. Com dez qubits havia 1024 estados empilháveis e com n qubits . ${\ displaystyle a \ cdot \ left | 0 \ right \ rangle + b \ cdot \ left | 1 \ right \ rangle}$ $\ alpha \ cdot \ left | 00 \ right \ rangle + \ beta \ cdot \ left | 01 \ right \ rangle + \ gamma \ cdot \ left | 10 \ right \ rangle + \ delta \ cdot \ left | 11 \ right \ rangle$ $| \ alpha | ^ 2 + | \ beta | ^ 2 + | \ gamma | ^ 2 + | \ delta | ^ 2 = 1$ $2 ^ {n}$

Um computador típico com três bits de memória pode armazenar apenas três dígitos binários. Em algum ponto, ele pode conter os bits "101" ou alguma outra combinação dos oito possíveis (2 3 ). Um circuito de computação quântica com três qubits pode, na verdade, armazenar dezesseis valores, colocados juntos dois a dois para formar oito números complexos (uma combinação linear complexa de oito estados). Pode conter:

$(0,37 + i0,04) \ cdot \ left | 000 \ right \ rangle + (0,11 + i0,18) \ cdot \ left | 001 \ right \ rangle + (0,09 + i0,31) \ cdot \ left | 010 \ direita \ rangle + (0,30 + i0,30) \ cdot \ esquerda | 011 \ direita \ rangle +$ $(0,35 + i0,43) \ cdot \ left | 100 \ right \ rangle + (0,40 + i0,01) \ cdot \ left | 101 \ right \ rangle + (0,09 + i0,12) \ cdot \ left | 110 \ direita \ rangle + (0,15 + i0,16) \ cdot \ left | 111 \ right \ rangle$

Estado	Amplitude	Probabilidade
	$(a + {\ boldsymbol {i}} b)$	$(a ^ {2} + b ^ {2})$
000	$0,37 + {\ boldsymbol {i}} 0,04$	$0,14$
001	$0,11 + {\ boldsymbol {i}} 0,18$	$0,04$
010	$0,09 + {\ boldsymbol {i}} 0,31$	$0,10$
011	$0,30 + {\ boldsymbol {i}} 0,30$	$0,18$
100	$0,35 + {\ boldsymbol {i}} 0,43$	$0,31$
101	$0,40 + {\ boldsymbol {i}} 0,01$	$0,16$
110	$0,09 + {\ boldsymbol {i}} 0,12$	$0,02$
111	$0,15 + {\ boldsymbol {i}} 0,16$	$0,05$

A soma das probabilidades é 1. Se houvesse qubits, esta tabela teria linhas. Para alguém com cerca de 300, haveria mais linhas do que átomos no universo observável . $não$ $2 ^ {n}$ $não$

A primeira coluna mostra todos os estados possíveis para três bits. Um computador típico pode carregar apenas um desses estados por vez. Um computador quântico, por outro lado, pode estar em uma superposição desses oito estados ao mesmo tempo. A segunda coluna mostra a amplitude de cada um dos oito estados. Esses oito números complexos são um instantâneo do conteúdo desta calculadora a qualquer momento. Durante o cálculo, esses três números mudarão e interagirão entre si. Nesse sentido, um circuito de computação quântica de três qubit tem muito mais memória do que um circuito de computação convencional de três bits .

No entanto, não é possível ver diretamente esses três números. Quando o algoritmo é concluído, apenas uma medição é realizada. A medida retorna uma string simples de três bits clássicos e apaga todos os oito números complexos. A string de retorno é gerada aleatoriamente. A terceira coluna dá a probabilidade de cada uma das cadeias possíveis. Neste exemplo, há uma chance de 14% de que a string retornada seja "000", uma chance de 4% de que seja "001" e assim por diante. Cada número complexo é chamado de “ampere” e cada probabilidade de “amplitude quadrada”, porque é igual a . A soma das oito probabilidades é igual a um. $a ^ {2} + b ^ {2}$

Normalmente, um algoritmo que usa computação quântica inicializará todos os números complexos com valores iguais, de modo que todos os estados terão as mesmas probabilidades. A lista de números complexos pode ser considerada um vetor de oito elementos. A cada etapa do algoritmo, o vetor é modificado por seu produto com uma matriz que corresponde a uma operação quântica.

Na prática, eliminamos o aspecto aleatório eliminando a fase, por exemplo, usando a identidade notável (a + bi) x (a-bi) = a ^ 2 + b ^ 2, cujo resultado é um número real independentemente de a e b reais, e a medição dos quais, portanto, não é afetada por qualquer perigo. Isso é o que o algoritmo de Shor faz.

Restrições físicas

Pode-se imaginar o uso de uma molécula microscópica, que pode conter vários milhões de prótons e nêutrons, como um computador quântico. Este contém vários milhões de qubits . Mas a computação quântica requer do sistema que a carrega duas fortes restrições para ser utilizável:

deve ser totalmente isolado do mundo exterior durante a fase de computação (falamos então de computação adiabática ), qualquer observação ou qualquer apagamento de dados perturbando o processo (da mesma forma como se observássemos o átomo que decide o estado do gato no experimento do gato de Schrödinger , o estado do gato seria morto ou vivo, em vez de ser uma superposição dos dois). Só é permitida a comunicação com o exterior antes (entrada de dados) e depois (leitura dos resultados, ou mais exatamente do resultado); Não pode haver isolamento térmico total, mas se se consegue mantê-lo durante o tempo de cálculo, este pode ocorrer sem interferências. Este fenômeno de interferência é denominado decoerência , é o principal obstáculo para a realização de um computador quântico. O tempo de decoerência corresponde para um sistema quântico ao tempo durante o qual suas propriedades quânticas não são corrompidas pelo ambiente.
deve ser feito sem a menor perda de informação. Em particular, qualquer circuito de computação quântica deve ser reversível . Em circuitos lógicos “clássicos”, certas portas não verificam esta propriedade (porta NAND por exemplo). No entanto, as dicas de construção permitem contornar essa dificuldade, mantendo informações adicionais que não são diretamente úteis. Todas as portas clássicas têm um equivalente quântico (ver Porta quântica ).

Existem sistemas quânticos naturalmente isolados, como os núcleos de certos átomos. Alguns, como o carbono 13, têm um momento angular, um spin e podem dar origem a diferentes estados quânticos. Cristais de diamante que contêm isótopos de carbono 12 (os núcleos de diamante são compostos de até 1% de carbono 13) teoricamente permitiriam, à temperatura ambiente, armazenar e manipular informações quânticas. Uma primeira técnica consiste em manipular a laser o spin dos elétrons de um átomo de nitrogênio que constitui as impurezas do diamante, agindo assim no acoplamento entre o spin desses elétrons e o dos núcleos de carbono 13.

Uma metáfora de Thierry Breton

Em uma entrevista popular com Étienne Klein , Thierry Breton esquematiza o funcionamento de uma computação quântica como um aviso de pesquisa : se você está procurando em um quarto de mil pessoas para alguém que medem mais de 1,80 m e falam Inglês, ele compara a computação clássica ao questionamento cada participante, um por um, fazendo as perguntas "Você tem mais de 1,80 m de altura ?" E "Você fala inglês?" E anotando o número de quem responde "sim" a ambas as questões, o que vai demorar algum tempo. Na computação quântica, tudo acontece como se estivéssemos lançando uma chamada geral: "Pessoas com mais de um metro e oitenta e que falam inglês podem levantar a mão?" »E obtemos a resposta quase instantaneamente. Thierry Breton fala de cálculo holístico e não mais sequencial . Resta desenvolver linguagens que tratem globalmente um conjunto de valores possíveis como um único. No momento, a Atos está trabalhando em algum tipo de montador adequado chamado AQAL ( Atos Quantum Assembly Language ). O nome "montador" pode ser enganoso, pois é uma linguagem de descrição de processo que, ao contrário, independe da máquina utilizada (ao contrário de um montador no sentido clássico, portanto) desde que respeite algumas linhas principais de um tipo de máquina virtual .

Bernard Ourghanlian, diretor técnico da Microsoft , apresenta a mesma característica de forma semelhante: ““ Quando você entra em um labirinto, você tem dezenas e dezenas de caminhos possíveis. O que um computador tradicional faz é explorá-los um por um. Isso levará algum tempo, mesmo se houver vários processadores, porque cada um deles está executando o mesmo algoritmo em paralelo. Com um computador quântico, a grande diferença é que você pode explorar todos os caminhos ao mesmo tempo. Obviamente iremos muito mais rápido ”. "

Podemos consultar no artigo APL (linguagem) o método de cálculo de números primos que tenta (do ponto de vista do usuário) "todos os divisores ao mesmo tempo". No caso de implementação das operações primitivas em circuitos quânticos, a simplicidade da computação corresponderia à simplicidade da escrita em APL.

Simulação de um computador quântico

Bibliotecas clássicas de simulação de computação quântica em computador se multiplicaram desde 2010. Aqui estão algumas abordagens:

Perl

a 11 de agosto de 2000, Damian Conway criou para a linguagem Perl um módulo chamado Quantum::Superpositionspara simular (fazendo os algoritmos comuns nos bastidores, é claro) a operação de um dispositivo de computação quântica. Este módulo pode ser usado para escrever e testar, em versão mock-up com alguns qubits simulados, programas escritos para lógica quântica. Os programas produzidos serão totalmente utilizáveis em um dispositivo de computação quântica (se houver) ou em um computador quântico remoto, substituindo as chamadas ao módulo pelas chamadas correspondentes a este dispositivo local ou remoto, sem afetar o programa Perl de forma alguma. em si, exceto para o número especificado de qubits. Podemos então tirar proveito dos recursos de um computador quântico e, assim, realizar cálculos mais complexos ao mesmo tempo.

Este módulo é hoje (2018) mantido por Steven Lembark.

A massiva paralelização de computação permitida por uma placa gráfica atual (2017) é outra forma possível de simular em tempos aceitáveis um paralelismo quântico em um número restrito de qubits. Assim, uma GTX 1080 (2560 processadores a 1,6 GHz ) ou com outra API um Radeon Vega 64 (4096 processadores a 1,6 GHz ) pode simular por mil dólares e nos tipos de problemas que surgem. Empreste 11 ou 12 qubits "falsos" - log 2 (2560) - para depurar os programas.

O módulo fornece ao Perl duas funções que testam matrizes globalmente: any () e all () . Na simulação, essas funções funcionam por iteração nos elementos e, portanto, em um tempo O ( N ). Em computação quântica, seu tempo de execução é independente do N .

A expressão de um cálculo de primalidade:

sub is_prime { my ($n) = @_; return $n % all(2..sqrt($n)+1) != 0 }

é uma reminiscência de escrever em APL , que também lida com tabelas globalmente , ou uma linguagem funcional como Haskell . Uma extensão deste último denominado QHaskell ( quantum Haskell ) existe desde 2006.

Outro módulo também fornece simulações de operações quânticas Quantum::Entanglement.

O MIT , por sua vez, colocou em código aberto uma ferramenta para a arquitetura de circuitos quânticos (teóricos) simples.

VS

Debian e Ubuntu (Linux) repositórios também oferecem a libquantum C biblioteca de sub-rotina através da APT gerenciador de pacotes , que implementa a simulação de um registo quântica. Uma interface permite que operações simples sejam aplicadas a ela, como a porta Hadamard . As medições são feitas (como em um computador quântico real) qubit a qubit ou, para maior simplicidade, em todo o registrador.

As implementações dos algoritmos de Shor e Grover são fornecidas como exemplo, juntamente com uma interface para correção de erros quânticos (QEC) e suporte de decoerência . Os autores são Bjorn Butscher e Hendrik Weimer.

Pitão

O pré-processador Q # (Q-sharp) fornece funções de biblioteca de chamada de código Python fornecidas pela Microsoft

CUDA

Este tipo de simulação não é mais exclusivamente software, mas utiliza o paralelismo dos processadores de uma placa gráfica moderna (por exemplo, em 2017 a GTX 1080 , 2560 processadores) com CUDA para simular diretamente os cálculos simultâneos, o que permite simular até a 'a 11 qubits adicionais a um custo e tempo razoáveis.

Centros de simulação

Por definição do termo, enquanto permanecermos abaixo do chamado limiar de supremacia quântica , os mesmos cálculos podem ser realizados na computação quântica e, mais lentamente, na simulação numérica. O grupo francês Atos oferece para esse fim o que chama de Quantum Learning Machine (QLM), simulando até 40 qubits. Adicione um qubit duplo ao custo da máquina ou ao tempo de computação, bem como à memória necessária. Esta máquina é caracterizada por um poder de processamento não muito superior ao de um servidor equipado com blades Xeon , mas por outro lado ter vários terabytes de RAM (até 48) para não atrasar os cálculos (ver artigo).

O kit Q # ( Q-sustenido )

A Microsoft fornece um kit chamado Q # disponível para Windows e MacOS / Linux , dá alguns exemplos de programas em seu site e organizou uma conferência sobre a programação de calculadoras quânticas no YouTube para desenvolvedores em linguagens clássicas.

Tensorflow Quantum (TFQ)

Esta é uma versão para usar a computação quântica no TensorFlow , uma biblioteca de código aberto para aprendizado de máquina . Ele permite trabalhar com Cirq (en) e processadores quânticos D-Wave , bem como Sycamore (en) do Google. O set foi anunciado em9 de março de 2020.

Orçamentos

Segundo um relatório de 2005, a União Europeia e os Estados Unidos dedicaram 75 milhões de euros a esta investigação, contra 8 milhões para a Europa. O Canadá teria gasto aproximadamente o mesmo período a € 12 milhões por ano, o Japão 25 milhões, a Austrália 6 milhões.

Formulários

IBM Q , a divisão quântica da IBM , dá alguns exemplos de aplicações de computação quântica em medicina, logística, finanças e inteligência artificial.

O algoritmo de Shor para decodificar a criptografia de chave pública e o algoritmo de Grover para procurar itens em um espaço de armazenamento são exemplos de aplicações de computação quântica. Da mesma forma, certas simulações numéricas concernentes à explosão combinatória , poderiam se beneficiar de um computador quântico.

Na década de 1970, a SNCF dedicou um dispositivo eletrônico clássico à computação altamente combinatória. Isso foi usado para otimizar os rolamentos sob tensão. Era o “Cybco C100-1024 Optimizer”, que operava pela exploração cabeada de todas as soluções possíveis, reduzindo seus cálculos por considerações de impossibilidade e simetria. Desde então, a resolução de problemas altamente combinatórios por circuitos especializados tem sido objeto de patentes.

Em novembro de 2008, Aram W. Harrow, Avinatan Hassidim e Seth Lloyd publicaram um método quântico que permite resolver sistemas de equações lineares com matrizes esparsas em um tempo O (log (n)) ao invés de O (n).

Em redes neurais , o chamado método de aprendizado ganancioso foi relatado em 2009 pela D-Wave como uma possível aplicação.

No campo da inteligência artificial , para o processamento automático da linguagem , um processador de texto poderia modelar o universo associado ao assunto e reagir à semântica que dele pudesse inferir. Isso também seria possível com reconhecimento de voz e reconhecimento de padrões , em associação com tecnologia de aprendizado profundo .

O JP Morgan Chase fez parceria com a IBM e a Samsung para estudar as aplicações dos computadores quânticos para transações financeiras e sua previsão de risco.

A computação quântica fornece uma vantagem quantitativa em questões combinatórias, sem trazer nenhuma em termos do número de entradas-saídas (estas restantes sequenciais), é essencialmente adequado para problemas em que os cálculos combinatórios são importantes no que diz respeito ao número de saídas. Essa particularidade o torna adequado para uso remoto, via Internet por exemplo, e permite o uso de sistemas volumosos resfriados por criogenia.

A seguinte questão foi levantada na literatura: o modelo deve ser construído no computador "clássico" e depois avaliado pelo computador quântico, ou todo o trabalho deve ser deixado para o computador quântico, sob o risco de ficar mais lento por tarefas tradicionais? Os modelos de emuladores quânticos foram construídos para permitir trazer algumas respostas a esta questão.

Aplicações operacionais estão sendo pesquisadas para o uso do computador NISQ ( barulhento de escala intermediária quântica ).

Notas e referências

(fr) Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo da Wikipedia em inglês intitulado " Quantum computing " ( veja a lista de autores ) .

Notas

Denominação menos adequada, por se tratar de um processo de cálculo alheio a uma máquina de Von Neumann .
Ou seja, em particular com poucos insumos-produtos em comparação com o tratamento.
Isso não significa que um computador quântico de 300 qubit poderia simular nosso universo. Isso significa que mesmo pequenas porções de nosso universo não podem ser simuladas por um computador convencional.
Consulte " Impossibilidade de clonagem quântica ".
Consulte Complexidade algorítmica .
rigor , só podemos falar de uma partícula quando ela é detectada. Esta palavra designa, neste contexto, uma concentração de campo em um estado descrito por uma função de onda .
Eles só podem ser obtidos bit a bit, qualquer observação do estado quântico - que não é necessariamente a leitura de um qubit particular, mas qualquer operação trazendo de volta um bit de uma interrogação do estado, como all () ou any () - alterando todo o resto do estado interno, e solicitando que o cálculo seja refeito para a observação de outro bit.

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Veja também

Bibliografia

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links externos

(fr) Estado da pesquisa em 2015 de acordo com um pesquisador do INRIA
(in) Computação quântica: Michelle Simmons em TEDxSydney
O computador quântico , dossiê Futura-Sciences. Publicado em 2005, este artigo foi atualizado em 2013 no site do autor ( LUXORION )
Introdução à computação quântica , para não médicos, Michel Le Bellac ( CNRS )
(pt) Uma introdução à computação quântica para não físicos , Eleanor G. Rieffel e Wolfgang Polak, “ quant-ph / 9809016 ” , texto de acesso aberto, em arXiv .
Introdução à computação quântica sem equações , Alexandre Blais ( Université de Sherbrooke )
(pt) Noções básicas de álgebra linear para computação quântica (PDF)
( fr ) Vídeo geral sobre noções básicas de computação quântica ( fr )
(pt) O estado da arte da computação quântica em 2021