Computadores e simuladores quânticosQuantum computers and quantum simulators

Os computadores quânticos ainda estão numa fase embrionária de desenvolvimento.Quantum computers are still in the infancy of their development. O hardware e a manutenção são dispendiosos e a maioria dos sistemas estão instalados em universidades e laboratórios de investigação.The hardware and maintenance are expensive, and most systems are located in universities and research labs. Ainda assim, a tecnologia está a avançar e já é permitido acesso público a alguns sistemas.The technology is advancing, though, and limited public access to some systems is available.

Os simuladores quânticos são programas de software que funcionam em computadores clássicos e que possibilitam a execução e a testagem de programas quânticos num ambiente que prevê a reação dos qubits a diferentes operações.Quantum simulators are software programs that run on classical computers and make it possible to run and test quantum programs in an environment that predicts how qubits will react to different operations.

Hardware quânticoQuantum hardware

Os computadores quânticos têm três partes principais: uma área que aloja os qubits, um método para transferir sinais para os qubits e um computador clássico para executar um programa e enviar instruções.A quantum computer has three primary parts: an area that houses the qubits, a method for transferring signals to the qubits, and a classical computer to run a program and send instructions.

  • O material quântico utilizado para os qubits é frágil e altamente sensível a interferências ambientais.The quantum material used for qubits is fragile and highly sensitive to environmental interferences. Em alguns métodos do armazenamento de qubits, a unidade que os aloja é mantida a uma temperatura ligeiramente acima do zero absoluto, de modo a maximizar a coerência dos qubits.For some methods of qubit storage, the unit that houses the qubits is kept at a temperature just above absolute zero to maximize their coherence. Outros tipos de alojamento de qubits utilizam uma câmara de vácuo para ajudar a minimizar as vibrações e a estabilizá-los.Other types of qubit housing use a vacuum chamber to help minimize vibrations and stabilize the qubits.
  • Os sinais podem ser enviados para os qubits através de vários métodos, incluindo micro-ondas, laser e voltagem.Signals can be sent to the qubits using a variety of methods including microwaves, laser, and voltage.

Os computadores quânticos enfrentam uma multiplicidade de desafios para funcionarem corretamente,Quantum computers face a multitude of challenges to operate correctly. sendo a correção de erros nos mesmos um problema muito relevante e o dimensionamento (ou seja, a adição de mais qubits) aumenta a taxa de erro.Error correction in quantum computers is a significant issue, and scaling up (adding more qubits) increases the error rate. Devido a estas limitações, os computadores quânticos pessoais ainda estão longe de ser uma realidade, embora versões para laboratórios e comercialmente viáveis estejam mais perto.Because of these limitations, a quantum PC for your desktop is far in the future, but a commercially-viable lab-based quantum computer is closer.

Simuladores quânticosQuantum simulators

Os simuladores quânticos que são executados em computadores clássicos permitem-lhe simular a execução de algoritmos quânticos num sistema quântico.Quantum simulators that run on classical computers allow you to simulate the running of quantum algorithms on a quantum system. O Microsoft Quantum Development Kit (QDK) inclui um simulador de vetor de estado completo, juntamente com outros simuladores quânticos especializados.Microsoft’s Quantum Development Kit (QDK) includes a full-state vector simulator along with other specialized quantum simulators.

Qubit topológicoTopological qubit

A Microsoft está a desenvolver um computador quântico baseado em qubits topológicos.Microsoft is developing a quantum computer based on topological qubits. Os qubits topológicos serão menos afetados pelas alterações no respetivo ambiente e, consequentemente, reduzem o grau de correção de erros externos necessária.A topological qubit will be less impacted by changes in its environment, therefore reducing the degree of external error correction required.

A funcionalidade dos qubits topológicos aumentou a estabilidade e a resistência ao ruído do ambiente, o que significa que podem ser facilmente dimensionados e mantêm-se fiáveis durante mais tempo.Topological qubits feature increased stability and resistance to environmental noise, which means they can more readily scale and remain reliable longer.

Parcerias entre a Microsoft e fabricantes de hardware quânticoMicrosoft and quantum hardware partnerships

A Microsoft está a estabelecer parcerias com os fabricantes de hardware quântico IonQ, Honeywell e QCI para tornar os computadores quânticos acessíveis aos programadores no futuro.Microsoft is partnering with quantum hardware manufacturers IonQ, Honeywell, and QCI to make quantum computers accessible to developers in the future. Tirando partido da plataforma do Azure Quantum, os programadores poderão utilizar o Microsoft Quantum Development Kit (QDK) e Q# para escrever programas quânticos e para os executar remotamente.Leveraging the Azure Quantum platform, developers will be able to use Microsoft’s Quantum Development Kit (QDK) and Q# to write quantum programs and run them remotely.

Computações quânticasQuantum computations

A realização de computações num computador ou num simulador quântico obedece a um processo simples:Performing computations on a quantum computer or quantum simulator follow a basic process:

  • Aceder aos qubitsAccess the qubits
  • Inicializar os qubits para o estado pretendidoInitialize the qubits to the desired state
  • Realizar operações para transformar os estados dos qubitsPerform operations to transform the states of the qubits
  • Medir os estados novos dos qubitsMeasure the new states of the qubits

A inicialização e a transformação dos qubits fazem-se com operações quânticas (por vezes, denominadas "portas quânticas").Initializing and transforming qubits is done using quantum operations (sometimes called quantum gates). As operações quânticas são semelhantes às operações lógicas na computação clássica, como AND, OR, NOT e XOR.Quantum operations are similar to logic operations in classical computing, such as AND, OR, NOT, and XOR. As operações podem ter são básicas como inverter o estado de um qubit de 1 para 0 ou entrelaçar um par de qubits ou como utilizar múltiplas operações em série para afetar a probabilidade de um qubit sobreposto colapsar num sentido ou no outro.An operation can be as basic as flipping a qubit's state from 1 to 0 or entangling a pair of qubits, to using multiple operations in series to affect the probability of a superposed qubit collapsing one way or the other.

Nota

As bibliotecas Q# disponibilizam operações incorporadas que definem combinações complexas de operações quânticas de nível inferior.The Q# libraries provide built-in operations that define complex combinations of lower-level quantum operations. Pode utilizar as operações da biblioteca para transformar os qubits e para criar operações mais complexas definidas pelo utilizador.You can use the library operations to transform qubits and to create more complex user-defined operations.

A medição do resultado da computação dá-nos uma resposta; contudo, em alguns algoritmos quânticos, não é necessariamente a resposta certa.Measuring the result of the computation tells us an answer, but for some quantum algorithms, not necessarily the correct answer. Uma vez que o resultado de alguns algoritmos quânticos tem por base a probabilidade que foi configurada pelas operações quânticas, estas computações são executadas várias vezes, de modo a obter uma distribuição da probabilidade e a refinar a precisão dos resultados.Because the result of some quantum algorithms is based on the probability that was configured by the quantum operations, these computations are run multiple times to get a probability distribution and refine the accuracy of the results. A certeza de que uma operação devolveu uma resposta correta é conhecida como verificação quântica e é um desafio significativo na computação quântica.Assurance that an operation returned a correct answer is known as quantum verification and is a significant challenge in quantum computing.

ResumoSummary

A computação quântica partilha alguns dos conceitos da computação clássica, mas acrescenta algumas novidades.Quantum computing shares some of the same concepts as classical computing but adds a few new twists. Eis algumas ideias a reter:Here are some key takeaways:

  • O hardware quântico é caro e frágil, pelo que se utilizam simuladores quânticos para escrever e testar programas.Quantum hardware is expensive and fragile to work with, so quantum simulators are used to write and test programs.
  • Tanto os computações clássicos como quânticos utilizam operações lógicas (ou portas) para preparar as computações.Both classical and quantum computers use logic operations (or gates) to prepare computations.
  • As computações quânticas devolvem probabilidades.Quantum computations return probabilities.

Os avanços no hardware e nas técnicas quânticas estão a mudar rapidamente a área.Advancements in quantum hardware and techniques is rapidly changing the field. Eis alguns dos desenvolvimentos atuais.Here are just a few of the current developments.

Passos seguintesNext steps

O que é a Q# linguagem de programação e o QDK?What are the Q# programming language and QDK?