A computação quântica é a maior revolução na computação desde ... computação. Nosso mundo consiste em informações quânticas, mas percebemos o mundo como uma informação clássica. Ou seja, muita coisa está acontecendo em pequena escala, além de nossos sentidos normais. Como humanos, evoluímos para processar informações clássicas, não informações quânticas: nossos cérebros são programados para pensar em felinos dente-de-sabre, não em gatos de Schrödinger. Podemos facilmente codificar nossas informações clássicas com zeros e uns, mas que tal acessar as informações adicionais disponíveis que compõem nosso universo? Podemos usar a natureza quântica da realidade para processar informações? Claro, caso contrário teríamos que terminar este post aqui, e isso não nos satisfaria a todos.Vamos explorar as possibilidades da computação quântica e, em seguida, começar a escrever nosso próprio código quântico.
O ponto de partida para estudar a computação quântica é entender que, embora muitos princípios sejam contrários ao bom senso, o universo clássico que conhecemos e amamos é apenas uma sombra da estrutura quântica da realidade. Parte de se acostumar com um quantum é se acostumar com as limitações de nossa própria percepção. Essa limitação é semelhante a desenhar um objeto 3D em um pedaço de papel 2D. Dê uma olhada no wireframe abaixo. Pode ser uma caixa (podemos ilustrar isso com um copo em cima), um ângulo (podemos colocar a garrafa dentro para que possamos ver o ângulo).
Somos obrigados a ver um ou outro e não os dois ao mesmo tempo. Podemos trocá-los de um lado para outro, mas como estamos presos em uma visualização 2D, só podemos ver um ou outro. Duas dimensões não são suficientes para representar perfeitamente um objeto tridimensional. Da mesma forma, o mundo da informação clássica em sua codificação mais simples é representado em bits, zeros e uns. No entanto, isso não é suficiente para descrever o mundo quântico. No mundo quântico, precisamos de bits ou qubits quânticos para descrever nossas informações. Assim como colocar uma bebida em uma caixa ou em um canto, podemos fazer uma medição que fará nosso qubit nos dizer a batida clássica, mas há mais informações que podemos usar.
Os computadores quânticos usarão o restante das informações para obter mais poder de processamento. Isso mudará tudo em aplicações farmacêuticas, novos materiais verdes, logística, finanças, big data e muito mais. Por exemplo, a computação quântica calculará melhor a energia das moléculas porque é fundamentalmente um problema quântico. Então, se você pode imaginar a indústria de moléculas, você pode imaginar a aplicação da computação quântica. Muitas vezes, as pessoas querem saber se os computadores quânticos serão mais rápidos e, embora possam realizar cálculos mais rapidamente, não é porque estão fazendo a mesma coisa com muitos ciclos. Em vez disso, os computadores quânticos usam uma maneira fundamentalmente diferente de processar informações. Para ter uma ideia dessa diferença fundamental, vamos considerar um exemplo,o que ajuda a ilustrar o poder da computação quântica.
Conheça o bêbado quântico
Vamos fazer um experimento mental. Em uma clássica caminhada bêbada (às vezes chamada de caminhada casual), temos um bêbado que sai do armário e tenta encontrar seu amigo no bar.
Todos parecem iguais no bar, nosso bêbado bebeu demais, então ele se aproxima de uma pessoa qualquer sentada no bar. Quando ele descobre que a primeira pessoa que perturbou não é seu amigo, ele se move aleatoriamente para o próximo banco, seja para a esquerda ou para a direita. Podemos simular nosso andarilho bêbado jogando uma moeda e dizendo que se cara subir, ele irá para a direita, se coroa - para a esquerda.
A próxima pessoa também não será o amigo desejado, mas a memória do nosso bêbado é curta, então ele se moverá para a esquerda ou para a direita com igual probabilidade. Isso continuará até que a segurança seja chamada para expulsá-lo.
O serviço de segurança adora física, então eles decidiram a cada vez para descobrir onde finalmente alcançar uma pessoa bêbada. Aqui está o que o serviço de segurança vê:
A forma é em forma de sino, e uma característica interessante da curva em forma de sino é que a propagação no meio (o lugar mais provável para encontrar um bêbado) é a raiz quadrada do número de passos que um andarilho bêbado dá. Quando o bêbado passa por nove bancos de bar, a extensão da curva é três; a segurança provavelmente o encontrará a três bancos de bar de onde o bêbado se sentava originalmente. Quando o bêbado fizer 100 tentativas, a segurança provavelmente encontrará o bêbado a dez bancos de onde o bêbado começou. Essas estatísticas ajudam as forças de segurança a saber onde é mais provável que encontrem o andarilho bêbado, o que é próximo ao ponto de partida.
A segurança agora tem um modelo que pode usar para acompanhar os bêbados clássicos, mas infelizmente também há bêbados quânticos neste bar. Enquanto o bêbado clássico é um simples lançamento de uma moeda para cada direção, para o bêbado quântico a moeda é quântica e pode estar em uma superposição de cara e coroa ao mesmo tempo. O bêbado quântico segue uma trajetória que é uma superposição dos degraus esquerdo e direito de cada banco de bar.
A superposição é um dos conceitos fundamentais da mecânica quântica e uma das ferramentas para distinguir entre informação quântica e informação clássica. Para mais diversão com as superposições, leia esta postagem do Strangeworks sobre alguns princípios básicos do qubit....
O bêbado quântico andará em uma superposição de esquerda e direita ao mesmo tempo sem uma localização específica até que o segurança o encontre.
Quando a segurança olha para a distribuição de posições onde o bêbado quântico está, eles encontram um resultado completamente diferente do bêbado clássico.
Em contraste com a distribuição suave da curva do sino, eles encontrarão a distribuição canina mostrada abaixo:
O que está acontecendo? Onde está o bêbado quântico? Por que os picos de distribuição deveriam ser externos? Por que existem áreas internas com probabilidade muito baixa e outras com probabilidade maior? O bêbado quântico tem novas propriedades.
O bêbado tende a estar mais longe do centro e menos propenso a estar mais perto dele. Alguns caminhos são menos prováveis devido à interferência e alguns são mais prováveis. A distribuição geral também é muito diferente. Em vez de se referir à raiz quadrada do spread, o spread está linearmente relacionado ao número ou etapas. Um bêbado quântico dando dez passos provavelmente será encontrado do lado de fora de dez banquinhos de bar, tão longe quanto um bêbado clássico dando 100 passos.
Então, como podemos usar isso a nosso favor? Existe algum problema que possamos resolver melhor com bêbados quânticos do que com bêbados clássicos? Bem, estou feliz que você perguntou, porque sim, há! Para verificar isso, vamos colocar os bêbados na passagem do labirinto. Escolhemos um labirinto específico que demonstrará o poder dos bêbados quânticos. Nesta tarefa, temos uma estrutura em árvore que é espelhada e depois colada.
À esquerda está a entrada para o labirinto e à direita está a saída. Queremos ver como nossos caminhantes bêbados encontram a saída. Lembre-se de que o bêbado clássico lançará uma moeda em cada nó, enquanto o bêbado quântico criará uma superposição de cada caminho em cada nó. Os bêbados tendem a ficar presos em pontos aleatórios no meio e demoram mais para encontrar a saída.
Como os bêbados quânticos são mais comuns, é mais fácil para eles evitarem ficar presos. É por isso que os bêbados quânticos encontram seu caminho para fora mais rápido do que os bêbados clássicos.
À medida que mandamos mais e mais bêbados para fora, os quânticos vão lidar com esse problema exponencialmente melhor do que os clássicos!
Este é o poder da computação quântica. Embora este seja um exemplo simples, todos os algoritmos quânticos funcionam da mesma maneira: usando a propagação quântica de maneiras inteligentes que se ajustam à estrutura do problema. Existem muitas aplicações para algoritmos quânticos, então agora é a hora de começar a aprender a programação quântica.
Em um futuro próximo, as melhores aplicações serão o desenvolvimento de produtos farmacêuticos e o desenvolvimento de novos materiais. Muitas dessas aplicações em química são fundamentalmente mecânicas quânticas. Isso ocorre porque calcular a energia do elétron para moléculas diferentes é mais eficiente usando um computador quântico. Os problemas de otimização são outra área em que a computação quântica terá um impacto em um futuro não muito distante. Essa classe de preocupações logísticas inclui a otimização do armazenamento (olá, FedEx, ligue para nós) ou a distribuição de mercadorias, como vacinas. A gestão de risco financeiro pode ser realizada usando algoritmos semelhantes. Além disso, existem tecnologias para criar uma Internet quântica que substituirá alguns de nossos sistemas criptográficos para garantir privacidade e segurança.
Comece a programar computadores quânticos
Você pode começar com a computação quântica agora mesmo (sem ficar bêbado com a embriaguez quântica ou desafiar um alcoólatra clássico para uma corrida de labirinto)! No Strangeworks, estamos diminuindo as barreiras para programar a computação quântica para que você possa fazer parte desta empolgante comunidade de código aberto. Você pode explorar nossa biblioteca cada vez maior de conteúdo ou criar a sua própria como membro da comunidade Strangeworks. Você pode executar o código aqui mesmo, sem instalação, e ver o resultado. Explore muitas plataformas e linguagens de programação quântica diferentes.
Aqui estão alguns ótimos pontos de partida:
Brinque com o código para um passeio aleatório quântico simplificado
Esta postagem detalha como codificar um pedestre aleatório quântico de quatro nós. Começar com uma tarefa simplificada o ajudará a começar a escrever código quântico imediatamente, sem a grande sobrecarga da complexidade do problema. O insight que você terá com este post será suficiente para entender o que está acontecendo, enquanto o código e a descrição reais do circuito quântico o familiarizarão com os mínimos detalhes da criação de programas para computadores quânticos.
Introdução à plataforma Strangeworks
Se você deseja apenas mergulhar no mundo da computação quântica, não há nada melhor do que fazer um tour pela plataforma Quantumcomputing.com do Strangeworks. Este guia é o ponto de partida ideal para este novo paradigma de computação.
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