Compreendendo a computação quântica por meio da mente de um viciado

O ponto de partida para explorar a computação quântica é entender que, embora muitos dos princípios sejam contra-intuitivos, o universo clássico que conhecemos e amamos é apenas uma sombra da estrutura quântica da realidade.

Para ter uma ideia dessa diferença fundamental, examinaremos um exemplo que ajuda a ilustrar o poder da computação quântica.

 

A computação quântica é a maior revolução na computação desde então ... computação. Nosso mundo é feito de informações quânticas, mas percebemos o mundo em informações clássicas. Ou seja, há muita coisa acontecendo em pequenas escalas que não são acessíveis com nossos sentidos normais. Como humanos, evoluímos para processar informações clássicas, não informações quânticas: nossos cérebros estão programados para pensar nos gatos Dente-Sabre, não nos gatos de Schrõdinger. Podemos codificar nossas informações clássicas com bastante facilidade com zeros e uns, mas e quanto a acessar as informações extras disponíveis que constituem nosso universo? Podemos usar a natureza quântica da realidade para processar informações? Claro, caso contrário teríamos que encerrar este post aqui e isso seria insatisfatório para todos nós. Vamos explorar o poder da computação quântica e começar a escrever alguns de seus próprios códigos quânticos.

 

O ponto de partida para explorar a computação quântica é entender que, embora muitos dos princípios sejam contra-intuitivos, o universo clássico que conhecemos e amamos é apenas uma sombra da estrutura quântica da realidade. Parte de ficar confortável com o quantum é ficar confortável com as limitações de nossa própria percepção. Essa limitação é análoga a desenhar um objeto 3D em uma folha de papel 2D. Dê uma olhada no wireframe abaixo. Ele pode representar uma caixa (podemos ilustrar isso com um copo em cima) ou pode ser invertido em um canto (podemos colocar a garrafa dentro para fazê-la virar para um canto em nossos cérebros).

 

Somos forçados a ver um ou outro e nunca ambos. Podemos mudá-los para frente e para trás, mas porque estamos presos em uma representação bidimensional, só podemos ver um ou outro. Duas dimensões não são suficientes para uma representação perfeita de um objeto tridimensional. Da mesma forma, o mundo da informação clássica em sua codificação mais simples é representado em bits, 0s e 1s. No entanto, isso não é suficiente para descrever o mundo quântico. No mundo quântico, precisamos de bits quânticos, ou qubits, para descrever nossas informações. Como colocar a bebida em cima da caixa ou no canto, podemos fazer uma medição que forçará nosso qubit a nos dizer um bit clássico, mas há mais informações lá que podemos tirar proveito.

 

Os computadores quânticos usarão o resto das informações para obter mais poder computacional. Isso será transformador com aplicativos farmacêuticos, novos materiais verdes, logística, finanças, big data e muito mais. Por exemplo, a computação quântica será melhor no cálculo da energia das moléculas porque este é um problema fundamentalmente quântico. Portanto, se você pode imaginar uma indústria que lida com moléculas, pode imaginar uma aplicação de computação quântica. Freqüentemente, as pessoas querem saber se os computadores quânticos serão mais rápidos e, embora sejam capazes de fazer cálculos mais rapidamente, não é porque estão fazendo a mesma coisa com mais ciclos. Em vez disso, os computadores quânticos tiram proveito de uma maneira fundamentalmente diferente de processar informações.

 

Conheça o viciado quântico

 

Vamos pensar no viciado quântico. Na sua clássica caminhada com suas alucinações (às vezes chamada de caminhada para o país das maravilhas), temos então um viciado que está andando na boate e tentando encontrar seu parceiro das drogas.

 

Todo mundo basicamente parece o mesmo nesta boate moderna e ele cheira pó demais, então ele está se aproximando de uma pessoa aleatória sentada no camarote da boate. Quando ele descobre que a primeira pessoa que incomodou não é seu amigo, ele irá aleatoriamente para o próximo banco, seja para a esquerda ou para a direita. Podemos simular nosso andarilho viciado lançando uma moeda e dizendo cara ele vai para a direita, coroa ele vai para a esquerda.

 

A próxima pessoa também está errada e sua memória é curta, então eles se moverão para a esquerda ou para a direita com a mesma probabilidade. Isso continuará até que o segurança seja chamado para expulsar o viciado.

 

A equipe de segurança adora física, então eles decidem manter um registro de onde finalmente alcançaram o viciado a cada vez. Aqui está o que a segurança encontra:

 

A forma é uma curva de sino, e a característica interessante da curva de sino é que a propagação do meio (o lugar mais provável para encontrar o viciado) é a raiz quadrada do número de passos que o andarilho viviado dá. Quando o viciado experimenta nove banquetas, a extensão da curva do sino é três; a segurança provavelmente pode encontrá-los a três banquetas de onde eles começaram. Quando o viciado fizer 100 tentativas, a segurança encontrará o mais provável entre os dez bancos mais próximos de onde eles começaram. Essas estatísticas ajudam a segurança a saber onde é mais provável encontrar o andarilho viciado, que está em algum lugar próximo ao centro.

 

Agora a equipe de segurança tem um modelo que pode usar para acompanhar os viciados clássicos, mas infelizmente nesta boate também há viciados quânticos. Enquanto o viciado clássico é um simples lançamento de moeda para cada direção, para o viciado quântico a moeda é quântica e pode estar em uma superposição de cara e coroa ao mesmo tempo. O viciado quântico está seguindo um caminho que é uma superposição de esquerda e direita em cada banco do camarote da boate. 

 

A superposição é um dos conceitos fundamentais da mecânica quântica e uma das ferramentas que diferencia a informação quântica da informação clássica. O tratamento aqui é limitado pela necessidade; para mais diversão com as sobreposições, confira esta postagem do Strangeworks sobre alguns dos fundamentos dos qubits .

 

O viciado quântico irá em uma superposição de esquerda e direita simultaneamente sem nenhuma posição definida até que o segurança os encontre.

 

Quando o segurança olha para a distribuição de posições onde o viciado quântico é encontrado, eles vão encontrar um resultado muito diferente do viciado clássico.

 

O que está acontecendo? Onde está o viciado quântico? Por que os picos da distribuição estariam do lado de fora? Por que existem áreas internas que são de probabilidade muito baixa e outras que são mais altas? O viciado quântico tem novas propriedades. 

 

O viciado tende a estar mais longe e é menos provável que fique perto do centro. Certos caminhos são menos prováveis ​​devido à interferência, enquanto alguns são mais prováveis. A distribuição geral também é muito diferente. Em vez de o spread ser relacionado à raiz quadrada, o spread está relacionado linearmente ao número ou etapas. Um viciado quântico dando dez passos provavelmente será encontrado do lado de fora de uma are da boate, tão ampla quanto a distribuição de um viciado clássico dando 100 passos.

 

Então, como podemos usar isso a nosso favor? Existe algum problema que possamos resolver melhor com viciados quânticos do que com viciados clássicos? Bem, estou feliz que você perguntou, porque sim, há! Para ver isso, vamos encarregar os viciados de resolver um labirinto. Estamos escolhendo um labirinto específico que ilustrará o poder do viciado quântico. Neste problema, 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 viciados podem encontrar a saída. Lembre-se de que o viciado clássico vai jogar uma moeda em cada nó, enquanto o viciado quântico está criando uma superposição de cada caminho em cada nó. Os viciados tendem a ficar presos nas conexões aleatórias do meio, demorando mais para encontrar a saída. 

 

Como os viciados quânticos estão mais espalhados, eles podem escapar mais facilmente de serem presos. É por isso que os viciados quânticos encontram a saída mais rápido do que os viciados clássicos.

 

Por causa desse problema, à medida que enviamos mais e mais viciados, os quânticos vão sobreviver exponencialmente mais 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: explorando a propagação quântica de maneiras inteligentes que se ajustam à estrutura de um problema. Existem muitas aplicações para algoritmos quânticos, por isso é um momento emocionante para começar a explorar a programação quântica.

 

No curto prazo, as melhores aplicações são o design de produtos farmacêuticos e a engenharia de novos materiais. Muitas dessas aplicações químicas são fundamentalmente mecânicas quânticas. Isso ocorre porque descobrir as energias dos elétrons 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 problemas de logística inclui a otimização do armazenamento (ei, FedEx, ligue para nós) ou a distribuição de mercadorias, como vacinas. O gerenciamento de risco para finanças pode ser abordado usando algoritmos semelhantes. Mais adiante estão as tecnologias para construir 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 (sem ficar viciado quântico e desafiar um viciado clássico para uma corrida através de um labirinto)! Na Strangeworks, estamos diminuindo as barreiras para programar a computação quântica para que você possa fazer parte desta comunidade de código aberto empolgante. 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 ali mesmo sem instalação e ver os resultados. Explore muitas plataformas e linguagens de programação quântica diferentes.

 

Aqui estão alguns ótimos lugares para começar:

 

Brinque com algum código para caminhada aleatória quântica simplificada

 

Esta postagem detalha como codificar um walker aleatório quântico de quatro nós. Começar com um problema simplificado o ajudará a escrever código quântico diretamente sem uma tonelada de sobrecarga devido à complexidade do problema. O entendimento que você obteve com este post será suficiente para conceituar o que está acontecendo, enquanto o código e a descrição reais do circuito quântico irão levá-lo aos detalhes da construção de programas para computadores quânticos.

 

Introdução à plataforma Strangeworks

 

Se você quer apenas entrar 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 perfeito para este novo paradigma na computação.

 

 

O Avance Network é uma comunidade fácil de usar que fornece segurança de primeira e não requer muito conhecimento técnico. Com uma conta, você pode proteger sua comunicação e seus dispositivos. O Avance Network não mantém registros de seus dados; portanto, você pode ter certeza de que tudo o que sai do seu dispositivo chega ao outro lado sem inspeção.


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