Posted by: Aba Cohen | April 25, 2008

QUBITs: Quantum Computation —– QUBITs: Computação Quântica

Text in English  (para o texto em Portugues, leia mais abaixo)

 

Quantum Computation follows a demand on the constraints imposed by the physical limitations to store and data processing: The next step following the nano-electronics under development at the Physics Labs throughout the World, is the atom (~0.1 nanometer). Being so, Moore´s Law (QUANTITATIVE STEPS towards the duplication of the computing capabilities each 18 months) must change due to the dead-end of the geometrical scale -the atom-, or we will perish due to stagnation. Quantum Computation is THE QUALITATIVE STEP to answer for further development.

Instead of the “0 or 1” rigid concept of a traditional binary BIT, when computation reaches the atomic limits, “certainty” will not prevail and probabilities will dominate the rules. The QUBIT will work with a combination of possibilities “1 and 0” . In the example given below (in Portuguese) I put a series of possibilities (8 = 2 3) that a set of 3 memory dots can attain (0 0 1 or 0 1 0 or … ). Instead, the QUBIT will work with (0 0 1 and 0 1 0 and … of the entangled states). One could Think this complicates everything. In part the computation will be more complex indeed, as the Bollean Logical Rules must be adapted. On the other hand, the feedbak of issues (as the “mouse path” in such a situation w´ont be that random due to logical limitations). Parallel processing and shortening of long linear logical chains will facilitate pattern recognitions for instance. Learn more visiting David Deutch’s Lectures

Among other examples (analogs) I would give the following: In the binary BIT computation, an image file of , say 500 kBytes, cannot miss or change a single bit, otherwise will be taken as “corrupted”. The QUBIT computation, working with a good flexibility, will permit not only recognizing the computational patterns of an image (a photo of someone, for example) as well as the same person´s photo taken 10 years before. In a similar way as we do (parallel brain processing), when recognizing an old friend that we haven´t seen for 10 years.

The implementation of such a technology isn´t an issue for the near future, since there is no physical media (a kind of atoms set) to hold trustably bilions of operations without deteriorating. Working at temperatures close to absolute zero are considered and this is a hard technological limitation.

————- x ————-

De acordo com a Lei de Moore, a computação segue em progressivos avanços, com a capacidade física dos computadores dobrando a cada 18 meses. Isto se deve à conjunção do aumento na rapidez de processamento eletrônico / softwares + inteligentes e a diminuição da escala física dos componentes. As pesquisas que desenvolvemos nos Laboratórios de Física, seja no Brasil ou mundo a fora, há muito sairam da escala da micro-eletrônica (milésimo de mm) e há mais de 1 década operamos na escala nanométrica, uma escala mil vezes menor (da ordem de 1 milionésimo de 1mm). Nesse rastro, a indústria já começa a fabricar dispositivos “nano”. Nos bastará dividir essa escala por dez (e não por mil) para chegarmos ao limite do átomo.

A pergunta que se faz é: teremos que parar por aí, ou há como evoluir mais? Para responder, ficamos diante de uma problemática que ao mesmo tempo nos levará à “solucionática”. Vejamos:

Entendamos primeiro o problema: Além de não podermos progredir ainda mais na escala geométrica, pois não há propósito em trabalhar com frações de átomos, essa escala reflete as incertezas inerentes da Física Quântica: os acontecimentos deixam de ser previsíveis com exatidão e passam a ser previsíveis apenas em termos probabilísticos. Assim não poderemos usar mais a Computação Clássica, baseada nos BITs (0 e 1). Isto representará o fim dos saltos quantitativos (decretado pela lei de Moore) e seremos obrigados a buscar um salto QUALITATIVO (revolucionar o modo de operação); do contrário teremos que perecer por estagnação.

O salto QUALITATIVO vem exatamente da incerteza, oferecida pela Física Quântica: em lugar do BIT “binário, exato e burro”, teremos em mãos o QUBIT [leia BIT-Quântico ou quÍu-BIT] “quântico, flexível e dinâmico”. Dou um exemplo: tomemos o conjunto completo de possibilidades que 3 elementos clássicos de gravação podem assumir ao serem registrados como BITs classicos [por exemplo 3 pontos de um espaço de memória, em que cada um deles pode estar [ou magnetizado (=1)], [ou não-magnetizado (=0)], pontos estes a serem trabalhados numa operação de computação convencional. Dentre as 8 configurações binárias ( 8 = 2 3 ) colocadas a seguir, há apenas 1 realizável, como represente exclusiva DAQUELA informação de 3 BITs, a saber:

0 0 0, ou

0 0 1, ou

0 1 0, ou

1 0 0, ou

0 1 1, ou

1 0 1, ou

1 1 0, ou finalmente

1 1 1.

No caso do conjunto de QUBITs de 3 estados quânticos emaranhados, cada um poderá se realizar no estado “0″ ou “1″ (sem definição de qual deles será realizado – e nesse caso a conjunção “ou” referida nas últimas 7 vezes mais acima, deve ser trocada pela cojunção “e”) e teremos 8 possibilidades realizáveis, em lugar de 1 só, rígida, do caso clássico. Em havendo 8 possibilidades simultâneas, os algoritmos a trabalharem já não poderão seguir as regras da Lógica Booleana clássica (trabalhando “ou com 0″ “ou com 1″, não com ambos). Daí surgem novos desenvolvimentos e possibilidades que permitirão processamentos paralelos e consequente aumento das possibilidades e da capacidade integrada de análise, podendo viabilizar encurtamentos de caminho e rapidez de processamento, incluindo o reconhecimento de “padrões combinatórios” de QUBITs como parte da solução de um dado algoritmo.

Tenho alguns exemplos (analogias) a mencionar mas, o exemplo literalmente pictórico que pode nos fazer vislumbrar a capacidade da Computação Quântica é o seguinte: Imaginemos um arquivo binário clássico que contenha centenas de KBytes (Byte = conjunto de 8 BITS clássicos), referentes à fotografia de 1 pessoa. A falta ou troca de um único BIT poderá ser fatal na reprodução ou no reconhecimento (por parte do computador clássico) quanto a “quem é o personagem da foto”. A Computação Quântica, por trabalhar com padrões (e não com BITS rígidos) poderá não só reconhecer o personagem da foto, como também reconhecer o mesmo, em uma outra foto tirada 10 anos antes, tendo por base as tendências probabilísticas associadas a características genéricas do arquivo. Do mesmo modo que reconhecemos um amigo que não víamos há 10 anos. Desta forma o modo de processamento da Computação Quântica se aproximará mais do nosso modo de pensar.

Quanto à questão do “quando isto será implementado”…. a perspectiva é para as próximas décadas – se tudo der certo,  já que ainda não há uma base física (conjunto de átomos ou algo parecido) suficientemente confiável para ser usada como “base de dados processáveis”, e sua manutenção em temperaturas próximo do zero absuluto ainda são consideradas para viabilizar esse objetivo. Desafios tecnológicos muito grandes.


Responses

  1. […] Atendendo a pedidos, o Prof. Aba escreveu um post explicando um pouquinho sobre a computação quântica, que mudará o paradigma da computação como conhecemos hoje. Aos que também ficaram curiosos sobre o assunto, vale a leitura: QUBITs – computação quântica. […]

  2. […] assunto me lembrou o exemplo dado pelo Aba – no Fisica Fácil – a uma possível aplicação da computação quântica no […]

  3. […] são as perspectivas da computação nas próximas décadas. A este respeito, leia o post “QUBITS – computação Quantica” […]

  4. […] de ligação da maioria das apresentações: Os dispositivos micro- e nano-eletrônicos (e futuros Qubits) que estão (estarão) na base de todo o progresso tecnológico a propiciar a maioria […]


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