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Mais rapidamente do que nunca, o mundo está mudando devido à mudança digital.
Com o iminente advento de outra nova onda de tecnologia capaz de alterar drasticamente os paradigmas atuais com velocidade e poder surpreendentes: a computação quântica, entender as ideias fundamentais da era digital se tornará ainda mais importante.
Uma técnica inovadora chamada computação quântica faz uso da física quântica para resolver problemas que estão além do escopo dos computadores convencionais.
Os princípios da teoria quântica mostram como a matéria e a energia se comportam nas escalas atômica e subatômica, e o Qiskit da IBM é um kit de desenvolvimento de software quântico de código aberto que auxilia na criação de sistemas de computação quântica.
Este artigo procura explicar isso e fornecer uma visão geral da computação quântica.
Vamos explicar aos nossos leitores com a ajuda de uma computação quântica de código aberto SDK, ou seja. Qiskit e deixá-los explorar usando Cadernos Jupyter hospedado no IBM Quantum Lab.
O que é Quantum Computing?
Computação quântica é um ramo da ciência da computação que se concentra no desenvolvimento de tecnologia de computadores usando ideias da teoria quântica.
Ele aproveita a capacidade excepcional das partículas subatômicas de existir simultaneamente em muitos estados, como 0 e 1.
Eles são capazes de processar muito mais dados do que computadores comuns.
Nos processos de computação quântica, um qubit é feito usando o estado quântico de um objeto. As informações essenciais na computação quântica são os qubits.
Eles desempenham a mesma função que os bits na computação convencional na computação quântica, mas agem de maneira bem diferente. A computação quântica é um campo que surgiu na década de 1980.
Em seguida, descobriu-se que os algoritmos quânticos eram mais eficazes em algumas tarefas de computador do que seus equivalentes clássicos.
Superposição e emaranhamento, dois conceitos da física quântica, são as bases sobre as quais esses supercomputadores se baseiam.
Em comparação com os computadores convencionais, os computadores quânticos atualmente podem fazer trabalhos de magnitude mais rápida, consumindo muito menos energia.
Devemos prosseguir com a operação dos computadores quânticos para compreendê-lo completamente. Vamos começar agora.
Como realmente funciona um computador quântico?
Em comparação com os computadores tradicionais aos quais estamos acostumados, os computadores quânticos abordam a resolução de problemas de maneira diferente. Para algumas tarefas, os computadores quânticos são preferíveis aos tradicionais de várias maneiras.
Acredita-se que sua capacidade de existir em vários estados ao mesmo tempo seja a causa. Por outro lado, os computadores convencionais só podem estar em um único estado de cada vez.
Existem três conceitos-chave que você deve compreender para compreender como os computadores quânticos operam:
- Sobreposição.
- Emaranhamento.
- Interferência.
Sobreposição
Os bits são os componentes fundamentais dos computadores tradicionais. Bits quânticos, ou Qubits, são as unidades básicas dos computadores quânticos.
Fundamentalmente, os bits quânticos operam de maneira diferente. Um bit binário, às vezes conhecido como bit tradicional, é um switch que pode ser 0 ou 1.
Recebemos o estado atual do bit de volta quando o medimos. Qubits são uma exceção a isso. Qubits podem ser comparados a setas apontando em três dimensões.
Eles estão nas condições 0 se apontarem para cima. Eles estão no estado 1 se apontarem para baixo. O mesmo acontece com os bits clássicos.
No entanto, eles também podem optar por estar em um estado de superposição.
Uma seta está na condição de apontar em qualquer outra direção. A superposição de 0 e 1 resulta neste estado. Um Qubit ainda produzirá um 1 ou um 0 como resultado quando for medido.
No entanto, a orientação da seta determina uma probabilidade relevante.
É mais provável que você receba um 1 se a seta estiver apontando principalmente para baixo e um 0 se estiver apontando principalmente para cima.
Você terá 50% de chance de ganhar para cada um se a seta estiver no centro. Em poucas palavras, isso é superposição.
Emaranhamento
Os bits em um computador tradicional são independentes uns dos outros. O estado de um bit não tem relação com o estado do outro bit.
Os qubits em computadores quânticos podem ficar emaranhados uns com os outros. Isso implica que eles se fundem em um único grande estado quântico.
Para ilustração, considere dois qubits que estão em vários estados de superposição, mas ainda não estão emaranhados. Neste momento, sua probabilidade não depende uma da outra.
Quando os emaranhamos, devemos descartar essas probabilidades independentes e determinar as probabilidades de todos os estados alternativos dos quais podemos escapar, a saber, 00, 01, 10 e 11.
A distribuição de probabilidade de todo o sistema é alterada se a direção da seta em um qubit for alterada porque os qubits estão emaranhados.
A independência dos qubits uns dos outros foi perdida. Cada um deles é um componente do mesmo estado considerável. Não importa quantos qubits você tenha, esse ainda é o caso.
Existe uma combinação possível de 2n estados para um computador quântico com n qubits.
Você tem uma distribuição de probabilidade em dois estados, por exemplo, para um qubit. Você tem uma distribuição de probabilidade em quatro estados para dois qubits, etc. A principal distinção entre computadores clássicos e quânticos é esta.
Você pode colocar computadores clássicos em qualquer condição que desejar, mas apenas um de cada vez. Todos esses estados podem existir simultaneamente em computadores quânticos como uma superposição.
Como o computador pode se beneficiar de estar em todos esses estados ao mesmo tempo? O último elemento de interferência entra neste ponto.
Interferência
Uma função de onda quântica pode ser usada para descrever o estado de um qubit.
A descrição matemática fundamental de tudo na física quântica é fornecida por funções de onda.
Quando muitos qubits estão emaranhados, suas funções de onda individuais são combinadas para formar uma única função de onda que descreve o estado geral do computador quântico.
A interferência é o resultado da soma dessas funções de onda. Quando as ondas são adicionadas, elas podem interagir construtivamente e se combinar para criar uma onda maior, assim como as ondulações da água.
Eles também podem interagir destrutivamente para neutralizar um ao outro. A probabilidade variada dos vários estados é determinada pela função de onda geral do computador quântico.
Podemos alterar a probabilidade de que certos estados surjam quando medimos o computador quântico alterando os estados de vários qubits.
Embora o computador quântico possa existir em várias superposições de estados ao mesmo tempo, as medições revelam apenas um desses estados.
Portanto, ao utilizar um computador quântico para concluir um trabalho de computação, a interferência construtiva é necessária para aumentar a probabilidade de receber a resposta correta e a interferência destrutiva para diminuir a probabilidade de receber uma resposta incorreta.
Agora, vamos começar com o Qiskit.
O que é a Kiskit?
Qiskit é uma estrutura de software financiada pela IBM projetada para facilitar a entrada de qualquer pessoa no campo da computação quântica.
Como os computadores quânticos são difíceis de obter, você pode obter um por meio de um provedor de nuvem, como a IBM, usando sua caixa de ferramentas Qiskit.
Está disponível gratuitamente, e todo o seu código é open source.
Há um livro online que ensina todos os fundamentos da física quântica, o que é muito útil para quem não está familiarizado com o assunto. Python é usado para desenvolver o kit de ferramentas Qiskit.
Portanto, se você estiver familiarizado com a linguagem de programação Python, reconhecerá muito código.
O framework de software é adequado para aqueles que desejam aprenda sobre computação quântica ao mesmo tempo em que ganha experiência prática.
O aspecto mais fundamental do Qiskit é que ele opera em dois estágios. Uma das etapas é a etapa de construção, na qual criamos vários circuitos quânticos e usamos esses circuitos para resolver o problema.
Em seguida, após concluir a etapa de construção ou chegar à solução, passamos para a próxima etapa, conhecida como etapa de execução, na qual tentamos executar nossa construção ou solução nos vários backends (backend de vetor de estado, backend unitário, open back-end ASM) e, após a conclusão da execução, processamos os dados na compilação para a saída desejada.
Introdução ao Qiskit
Em seu computador pessoal ou no Jupyter Notebook que a IBM hospeda, você pode instalá-lo localmente. Escreva o seguinte código para instalar localmente em um computador Windows:
Precisamos nos registrar aqui para acessar o token da API que nos permite utilizar os dispositivos quânticos da IBM, e então podemos começar a trabalhar com o site da empresa. Você pode imaginar fazer isso usando um Jupyter Notebook instalado no Qiskit rodando online.
Você pode acessá-lo selecionando seu Perfil no menu no canto superior direito da página e selecionando Informações da conta. Você pode encontrar seu token de API na seção sobre tokens de API na forma de ***. Ele é copiado e, em seguida, inserido no seguinte código:
Depois que esse código for executado, seu token de API será salvo em seu computador, permitindo que você use os dispositivos quânticos da IBM. Digite o seguinte para determinar se você tem acesso a tal dispositivo:
Se o código mencionado acima for executado, você poderá executar o código não apenas no seu computador, mas também enviando os circuitos quânticos integrados aos dispositivos quânticos da IBM e recebendo os resultados.
Assim, usando a biblioteca de circuitos, podemos começar a desenvolver nosso primeiro algoritmo quântico. Começamos importando as dependências essenciais do Qiskit para nosso projeto.
Construímos então um registrador quântico de dois qubits e um registrador convencional de dois bits.
Então agora temos um registro clássico e um registro quântico estabelecidos. Usando esses dois, podemos construir o circuito e se, a qualquer momento durante a modificação do circuito, você quiser esboçar como é o circuito quântico, escreva o seguinte código:
Podemos ver na imagem que o circuito consiste em dois bits quânticos e dois bits clássicos.
Como está, este circuito não possui portas, tornando-o desinteressante. Agora vamos construir o circuito usando as portas quânticas. Como clássico portas lógicas (Portas E, OR) são para circuitos digitais normais, as portas quânticas são os componentes fundamentais dos circuitos quânticos.
Aplicar a porta Hadamard ao primeiro qubit é o primeiro passo para criar o emaranhamento. Em seguida, usando o código a seguir, adicionaremos uma operação x controlada por dois qubits:
Agora que esses dois operadores foram usados para construir nosso circuito quântico, é hora de medir os bits quânticos (qubits), fazer essas medições e armazená-las nos bits clássicos. Vamos criar o código necessário para conseguir isso:
O diagrama abaixo mostra o layout do nosso circuito:
O circuito deve então ser executado em um simulador de computador tradicional. O circuito foi concluído. E examine os resultados dessa execução.
As informações obtidas da execução desse circuito são armazenadas na variável de resultado. Vamos exibir esses resultados usando um histograma de plotagem.
Isso é o que acontece quando executamos nosso circuito quântico. Para os números 00 e 11, recebemos probabilidades em torno de 50%. Seu circuito de computador quântico inicial foi construído. Parabéns!
Aplicações da computação quântica Qiskit
Finanças Qiskit
Uma coleção de ferramentas e aplicativos demonstrativos é oferecida pela Qiskit Finance. Isso inclui tradutores Ising para otimização de portfólio, fornecedores de dados para dados reais ou aleatórios e implementações para precificar várias opções financeiras ou avaliações de risco de crédito.
Qiskit Natureza
Aplicações como dobramento de proteínas e estrutura eletrônica/vibrônica cálculos para estados excitados e fundamentais são suportados pelo Qiskit Nature.
Ele oferece todas as peças necessárias para conectar códigos clássicos e converter automaticamente em diferentes representações necessárias para computadores quânticos.
Aprendizado de máquina Qiskit
Quantum aprendizado de máquina métodos que os usam para resolver vários problemas, como regressão e classificação, são fornecidos pelo Qiskit Machine Learning, bem como kernels quânticos fundamentais e redes neurais quânticas (QNNs) como blocos de construção.
Também permite a conexão de QNNs ao PyTorch com o objetivo de incorporar elementos quânticos em operações clássicas.
Otimização do Qiskit
O Qiskit Optimization oferece todo o espectro de serviços de otimização, incluindo modelagem de alto nível de problemas de otimização, tradução automática de problemas para várias representações necessárias e uma coleção de métodos simples de otimização quântica.
Conclusão
Em conclusão, enquanto o supercomputador mais rápido agora disponível leva anos, os computadores quânticos podem romper rapidamente os métodos de criptografia atuais.
Apesar do fato de que os computadores quânticos serão capazes de quebrar muitas das técnicas de criptografia usadas hoje, espera-se que eles criem substitutos à prova de hackers.
A otimização de problemas é um ponto forte dos computadores quânticos. Para mais detalhes, visite Qiskit GitHub.
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