Compreender a computação quânticaUnderstanding quantum computing

A computação quântica utiliza os princípios da mecânica quântica para processar informações.Quantum computing uses the principles of quantum mechanics to process information. Por esse motivo, exige uma abordagem diferente relativamente à computação clássica.Because of this, quantum computing requires a different approach than classical computing. Um exemplo dessa diferença é o processador utilizado nos computadores quânticos.One example of this difference is the processor used in quantum computers. Ao passo que os computadores clássicos utilizam os familiares chips de silício, os computadores quânticos utilizam sistemas quânticos, como átomos, iões, fotões ou eletrões.Where classical computers use familiar silicon-based chips, quantum computers use quantum systems such as atoms, ions, photons, or electrons. Utilizam as respetivas propriedades quânticas para representar os bits que podem ser preparados nas diferentes sobreposições quânticas de 1 e 0.They use their quantum properties to represent bits that can be prepared in different quantum superpositions of 1 and 0.

O material quântico comporta-se de acordo com as leis da mecânica quântica, recorrendo a conceitos como computação probabilística, sobreposição e entrelaçamento.The quantum material behaves according to the laws of quantum mechanics, leveraging concepts such as probabilistic computation, superposition, and entanglement. Estes conceitos são a base dos algoritmos quânticos que tiram partido do poder da computação quântica para resolver problemas complexos.These concepts provide the basis for quantum algorithms that harness the power of quantum computing to solve complex problems. Este artigo descreve alguns dos conceitos essenciais da mecânica quântica subjacentes à computação quântica.This article describes some of the essential concepts of quantum mechanics on which quantum computing is based.

Uma perspetiva panorâmica da mecânica quânticaA bird’s-eye view of quantum mechanics

A mecânica quântica, também denominada "teoria quântica", é um ramo da física que lida com partículas a nível atómico e subatómico.Quantum mechanics, also called quantum theory, is a branch of physics that deals with particles at the atomic and subatomic levels. Contudo, ao nível quântico, muitas das leis da mecânica que tomamos como garantidas não se aplicam.At the quantum level, however, many of the laws of mechanics you take for granted don’t apply. A sobreposição, a medição quântica e o entrelaçamento são três fenómenos centrais na computação quântica.Superposition, quantum measurement, and entanglement are three phenomena that are central to quantum computing.

sobreposição vs. computação bináriaSuperposition vs. binary computing

Imagine que está a fazer exercício na sala.Imagine that you are exercising in your living room. Vira-se completamente para a esquerda e depois completamente para a direita.You turn all the way to your left and then all the way to your right. Agora, vire-se para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo.Now turn to your left and your right at the same time. É impossível fazê-lo (a não ser que se divida em dois).You can’t do it (not without splitting yourself in two, at least). Obviamente, não pode estar nestes dois estados ao mesmo tempo; não pode olhar para a esquerda e para a direita em simultâneo.Obviously, you can’t be in both of those states at once – you can’t be facing left and facing right at the same time.

No entanto, se fosse uma partícula quântica, poderia ter uma determinada probabilidade de olhar para a esquerda E uma determinada probabilidade de olhar para a direita devido a um fenómeno chamado sobreposição (também conhecido como coerência).However, if you are a quantum particle, then you can have a certain probability of facing left AND a certain probability of facing right due to a phenomenon known as superposition (also known as coherence).

As partículas quânticas, como os eletrões, têm as suas próprias propriedades de "olhar para a esquerda ou para a direita", por exemplo, o spin, referido como para cima ou para baixo ou, para identificar com a clássica computação binária, digamos simplesmente 1 ou 0.A quantum particle such as an electron has its own “facing left or facing right” properties, for example spin, referred to as either up or down, or to make it more relatable to classical binary computing, let’s just say 1 or 0. Quando uma partícula quântica está no estado de sobreposição, é uma combinação linear de um número infinito de estados entre 1 e 0, mas só saberemos qual será quando olharmos para o mesmo, o que nos leva ao nosso próximo fenómeno, a medição quântica.When a quantum particle is in a superposition state, it’s a linear combination of an infinite number of states between 1 and 0, but you don’t know which one it will be until you actually look at it, which brings up our next phenomenon, quantum measurement.

Medição quânticaQuantum measurement

Agora, imaginemos que um amigo vai a sua casa e quer tirar uma fotografia sua a fazer exercício.Now, let’s say your friend comes over and wants to take a picture of you exercising. O mais provável é que acabe com uma fotografia desfocada consigo a virar-se de um lado para o outro.Most likely, they’ll get a blurry image of you turning somewhere between all the way left and all the way right.

Contudo, se fosse uma partícula quântica, aconteceria uma coisa interessante.But if you’re a quantum particle, an interesting thing happens. Independentemente do que estivesse a fazer quando o seu amigo tirou a fotografia, apareceria sempre completamente para a esquerda ou para a direita, nunca a meio do movimento.No matter where you are when they take the picture, it will always show you either all the way left or all the way right – nothing in-between.

Isto deve-se ao facto de o ato de observar ou medir uma partícula quântica fazer colapsar o estado de sobreposição (também conhecido como decoerência) e essa partícula assume um estado binário clássico de 1 ou 0.This is because the act of observing or measuring a quantum particle collapses the superposition state (also known as decoherence) and the particle takes on a classical binary state of either 1 or 0.

Esse estado binário é-nos útil, porque, na computação, podemos fazer imensas coisas com uns e zeros.This binary state is helpful to us, because in computing you can do lots of things with 1’s and 0’s. No entanto, quando uma partícula quântica é medida e colapsada, fica nesse estado para sempre (tal como a sua fotografia) e será sempre 1 ou 0.However, once a quantum particle has been measured and collapsed, it stays in that state forever (just like your picture) and will always be a 1 or 0. Como veremos mais adiante, não obstante, na computação quântica existem operações que podem "repor" as partículas para o estado de sobreposição, para que possam ser reutilizadas em cálculos quânticos.As you’ll see later, though, in quantum computing there are operations that can “reset” a particle back to a superposition state so it can be used for quantum calculations again.

EntrelaçamentoEntanglement

O fenómeno possivelmente mais interessante da mecânica quântica é a possibilidade de duas ou mais partículas quânticas se entrelaçarem entre si.Possibly the most interesting phenomenon of quantum mechanics is the ability of two or more quantum particles to become entangled with each other. Quando as partículas se entrelaçam, formam um sistema único de tal forma que o estado quântico de qualquer uma das partículas não pode ser descrito de forma independente do estado quântico das demais.When particles become entangled, they form a single system such that the quantum state of any one particle cannot be described independently of the quantum state of the other particles. Isto significa que, seja qual for a operação ou o processo que aplicar a uma partícula, essa operação ou processo correlaciona-se também com as outras partículas.This means that whatever operation or process you apply to one particle correlates to the other particles as well.

Além desta interdependência, as partículas podem manter essa ligação mesmo quando estão separadas por distâncias incrivelmente grandes, inclusive anos-luz.In addition to this interdependency, particles can maintain this connection even when separated over incredibly large distances, even light-years. Os efeitos da medição quântica também se aplicam às partículas entrelaçadas, pelo que, quando uma partícula é medida e colapsada, a outra partícula também é colapsada.The effects of quantum measurement also apply to entangled particles, such that when one particle is measured and collapses, the other particle collapses as well. Uma vez que há uma correlação entre os qubits entrelaçados, medir o estado de um qubit dá informações sobre o estado do outro; esta propriedade em particular é muito útil na computação quântica.Because there is a correlation between the entangled qubits, measuring the state of one qubit provides information about the state of the other qubit – this particular property is very helpful in quantum computing.

Qubits e probabilidadeQubits and probability

Os computadores clássicos armazenam e processam informações em bits, que podem ter o estado 1 ou 0, mas nunca ambos.Classical computers store and process information in bits, which can have a state of either 1 or 0, but never both. O equivalente na computação quântica é o qubit, que representa o estado das partículas quânticas.The equivalent in quantum computing is the qubit, which represents the state of a quantum particle. Devido à sobreposição, os qubits podem ser 1 ou 0 ou qualquer valor entre ambos.Because of superposition, qubits can either be 1 or 0 or anything in between. Consoante a sua configuração, os qubits têm uma certa probabilidade de se colapsarem para 1 ou 0.Depending on its configuration, a qubit has a certain probability of collapsing to 1 or 0. A probabilidade de os qubits se colapsarem para um lado ou para o outro é determinada pela interferência quântica.The qubit's probability of collapsing one way or the other is determined by quantum interference.

Ainda se lembra do seu amigo que lhe queria tirar uma fotografia?Remember your friend that was taking your picture? Imagine que a máquina fotográfica dele tem filtros especiais, chamados filtros de interferência.Suppose they have special filters on their camera called Interference filters. Se ele selecionar o filtro 70/30 e começar a tirar fotografias, em 70% das mesmas apanhá-lo-ia virado para a esquerda e, em 30%, para a direita.If they select the 70/30 filter and start taking pictures, in 70% of them you will be facing left, and in 30% you will be facing right. O filtro interferiu com o estado normal da máquina fotográfica para influenciar a probabilidade do respetivo comportamento.The filter has interfered with the regular state of the camera to influence the probability of its behavior.

Do mesmo modo, a interferência quântica afeta o estado de um qubit para influenciar a probabilidade de ocorrer um determinado resultado durante a medição. É neste estado probabilístico que o poder da computação quântica se destaca.Similarly, quantum interference affects the state of a qubit in order to influence the probability of a certain outcome during measurement, and this probabilistic state is where the power of quantum computing excels.

Por exemplo, com dois bits num computador clássico, cada bit pode armazenar 1 ou 0, pelo que, em conjunto, pode armazenar quatro valores possíveis – 00, 01, 10 e 11 –, mas apenas um de cada vez.For example, with two bits in a classical computer, each bit can store 1 or 0, so together you can store four possible values – 00, 01, 10, and 11 – but only one of those at a time. No entanto, com dois qubits em sobreposição, cada qubit pode ser 1, 0 ou ambos, o que lhe permite representar os mesmos quatro valores em simultâneo.With two qubits in superposition, however, each qubit can be 1 or 0 or both, so you can represent the same four values simultaneously. Com três qubits, pode representar oito valores; com quatro, pode representar 16 valores e assim sucessivamente.With three qubits, you can represent eight values, with four qubits, you can represent 16 values, and so on.

ResumoSummary

Estes conceitos apenas abordam a mecânica quântica pela rama, mas são fundamentais para se perceber a computação quântica.These concepts just scratch the surface of quantum mechanics, but are fundamentally important concepts to know for quantum computing.

  • Sobreposição – a capacidade de as partículas quânticas serem uma combinação de todos os estados possíveis.Superposition - The ability of quantum particles to be a combination of all possible states.
  • Medição quântica – o ato de observar uma partícula quântica em sobreposição e resultar num dos estados possíveis.Quantum measurement - The act of observing a quantum particle in superposition and resulting in one of the possible states.
  • Entrelaçamento – a capacidade de as partículas quânticas correlacionarem os resultados das respetivas medições entre as mesmas.Entanglement - The ability of quantum particles to correlate their measurement results with each other.
  • Qubit – a unidade básica de informação da computação quântica.Qubit - The basic unit of information in quantum computing. O qubit representa uma partícula quântica em sobreposição de todos os estados possíveis.A qubit represents a quantum particle in superposition of all possible states.
  • Interferência – o comportamento intrínseco de um qubit devido à sobreposição para influenciar a probabilidade de se colapsar num sentido ou noutro.Interference - Intrinsic behavior of a qubit due to superposition to influence the probability of it collapsing one way or another.

Passos SeguintesNext Steps

Computadores e simuladores quânticosQuantum computers and quantum simulators