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A computação quântica processa dados usando princípios da mecânica quântica. Como resultado, a computação quântica requer uma abordagem diferente da computação clássica. O processador usado em computadores quânticos é um exemplo dessa distinção.
Enquanto os computadores tradicionais empregam processadores baseados em silício, os computadores quânticos usam sistemas quânticos como átomos, íons, fótons ou elétrons. Eles empregam recursos quânticos para representar bits que podem ser criados em várias superposições quânticas de 1 e 0.
Então, o que exatamente o termo “quântico” significa neste contexto? É um salto significativo?
O termo quantum deriva da palavra latina quantum, que significa “quantidade”. É uma 'quantidade discreta de energia proporcional em magnitude à frequência da radiação que representa' na física. Discreto refere-se a algo que não é contínuo nem distinto. Quantum refere-se a quantidades únicas ou significativas nesse sentido.
O que é computação quântica?
Computação quântica está usando métodos algébricos para construir algoritmos para cálculos, que muitas vezes são os mesmos ou semelhantes aos usados na física quântica. A mecânica quântica, por sua vez, refere-se a uma teoria básica da física que mergulha na explicação das qualidades físicas da natureza no tamanho de átomos e partículas subatômicas.
A computador quântico é, portanto, um computador hipotético capaz de implementar tais algoritmos. Como resultado, os computadores quânticos são fundamentalmente baseados em bits quânticos, também conhecidos como qubits, que podem ser criados a partir de um único elétron.
O material quântico se comporta de acordo com as regras da mecânica quântica, fazendo uso de noções como computação probabilística, superposição e emaranhamento. Essas ideias servem como base para algoritmos quânticos, que usam os recursos dos computadores quânticos para resolver problemas complicados.
Neste artigo, discutirei tudo o que você precisa saber sobre emaranhamento quântico.
O que é emaranhamento quântico?
O emaranhamento quântico ocorre quando dois sistemas estão tão intimamente ligados que conhecer um lhe dá conhecimento imediato do outro, não importa quão distantes estejam.
Cientistas como Einstein ficaram perplexos com esse fenômeno, que ele chamou de “uma ação assustadora à distância”, pois quebrou a regra de que nenhuma informação pode ser enviada mais rápido que a velocidade da luz. Experimentos adicionais usando fótons e elétrons, no entanto, verificaram o emaranhamento.
O emaranhamento é a pedra angular da computação quântica. O emaranhamento quântico na física refere-se a uma ligação altamente forte entre partículas quânticas. Essa conexão é tão forte que duas ou mais partículas quânticas podem ser inexoravelmente conectadas enquanto são separadas por enormes distâncias.
Para entender melhor isso, considere uma comparação simples que não está relacionada à física ou à computação. Considere o que aconteceria se não uma, mas duas moedas fossem lançadas. Normalmente, se uma moeda cair em cara ou coroa tem pouca influência no resultado do segundo lançamento da moeda.
No entanto, no caso de emaranhamento, ambas as partes estão conectadas ou emaranhadas, independentemente de estarem fisicamente separadas. Nesse caso, se uma moeda der cara, a segunda moeda também exibirá cara e vice-versa.
Entendendo o entrelaçamento quântico (com exemplo)
O emaranhamento quântico é de fato uma situação na qual dois sistemas (tipicamente elétrons ou fótons) estão tão intimamente ligados que adquirir informações sobre o “estado” de um sistema (a direção do spin do elétron, digamos “Para cima”) resultaria em conhecimento instantâneo sobre o “estado” do outro sistema. “estado” (a direção do spin do segundo elétron, digamos “Para baixo”) independentemente da distância entre esses sistemas.
As frases “instantâneo” e “independentemente de quão distantes estejam” são significativas. Esse fenômeno deixou cientistas perplexos como Einstein, já que o estado não é definido até que seja medido, e a transmissão de informações desafia a regra da física clássica de que a informação não pode ser transportada mais rápido que a velocidade da luz.
No entanto, o emaranhamento provou usar fótons e elétrons desde a década de 1980, graças a pesquisas e testes que começaram na década de 1980.
Duas partículas subatômicas (elétrons) podem ser produzidas para que possam ser descritas por uma única função de onda. O emaranhamento pode ser alcançado em um método, permitindo que uma partícula mãe com spins zero decaia em duas partículas filhas emaranhadas com spins iguais, mas opostos.
Se duas partículas filhas não interagem com nada, suas funções de onda permanecerão iguais e opostas, não importa o quão distante elas sejam medidas. Os cientistas determinaram por meio de testes que o tempo de emaranhamento não teve impacto nas informações.
Em vez disso, a informação é enviada para a outra partícula a uma taxa mais rápida do que a velocidade da luz apenas quando a informação de uma partícula é medida.
Como resultado, as informações fluem nesse ritmo. Mas não temos controle sobre isso – essa falta de controle restringe os usos do Emaranhamento Quântico, como enviar uma mensagem ou outras informações mais rápido que a velocidade da luz.
Qual o papel do emaranhamento na computação quântica?
Alterar o estado de um qubit emaranhado muda instantaneamente o estado do qubit emparelhado em computadores quânticos. Como resultado, o emaranhamento acelera a velocidade de processamento dos computadores quânticos.
Como o processamento de um qubit revela informações sobre vários qubits, dobrar o número de qubits não aumenta necessariamente o número de processos (ou seja, os qubits emaranhados).
O emaranhamento quântico, de acordo com estudos, é necessário para que um algoritmo quântico forneça uma aceleração exponencial em relação aos cálculos clássicos.
Aplicações de emaranhamento na computação quântica
Diversas aplicações podem se beneficiar dessa característica física única, que alterará nosso presente e futuro. Criptografia quântica, codificação superdensa, talvez transmissão mais rápida que a luz e até teletransporte podem ser ativados por emaranhamento.
Os computadores quânticos têm o potencial de enfrentar desafios de tempo e processamento intensivos em vários setores, incluindo finanças e bancos.
O emaranhamento quântico é um fenômeno que pode ajudar esses computadores, reduzindo a quantidade de tempo e o poder de processamento necessários para lidar com o fluxo de dados entre seus qubits.
1. Criptografia Quântica
Na criptografia clássica, o remetente codifica a mensagem com uma chave, enquanto o destinatário a decodifica com a chave compartilhada. No entanto, existe o perigo de que um terceiro obtenha conhecimento sobre as chaves e seja capaz de interceptar e minar a criptografia.
Criar um canal seguro entre as duas partes é a pedra angular da criptografia inquebrável. O emaranhamento pode causar isso. Como os dois sistemas estão emaranhados, eles são correlacionados um com o outro (quando um muda, o outro também muda), e nenhum terceiro compartilhará essa correlação.
A criptografia quântica também se beneficia da não clonagem, o que significa que é impossível gerar uma réplica idêntica de um estado quântico desconhecido. Como resultado, é impossível replicar dados codificados em um estado quântico.
Com uma distribuição de chave quântica impenetrável, a criptografia quântica já foi realizada (QKD). O QKD usa fótons polarizados aleatoriamente para comunicar informações sobre a chave. O destinatário decifra a chave usando filtros polarizadores e a técnica usada para criptografar a mensagem.
Os dados secretos ainda são transferidos por meio de linhas de comunicação padrão, mas apenas a chave quântica exata pode decodificar a mensagem. Como a “leitura” dos fótons polarizados altera seus estados, qualquer espionagem alerta os comunicadores sobre a intrusão.
A tecnologia QKD é atualmente limitada pelo cabo de fibra óptica, que pode fornecer um fóton por cerca de 100 km antes de se tornar muito fraco para receber. Em 2004, a primeira transferência bancária QKD emaranhada ocorreu na Áustria.
Garantir que a transmissão de comunicações inquebráveis e invioláveis que sejam comprovadamente seguras com base em princípios físicos tenha aplicações óbvias nos setores financeiro, bancário, militar, médico e outros. Várias empresas estão agora usando o QKD emaranhado.
2. Teletransporte Quântico
O teletransporte quântico também é o método de transmissão de informações quânticas entre duas partes, como fótons, átomos, elétrons e circuitos supercondutores. De acordo com a pesquisa, o teletransporte permite que os QCs funcionem em paralelo enquanto usam menos eletricidade, reduzindo o uso de energia em 100 a 1000 vezes.
A distinção entre teletransporte quântico e criptografia quântica é a seguinte:
- Trocas de teletransporte quântico Por um canal clássico, informações “quânticas” são enviadas.
- Trocas de criptografia quântica Em um canal quântico, informações “clássicas” são enviadas.
As necessidades de energia dos computadores quânticos geram calor, o que é um desafio, pois eles devem operar em temperaturas tão baixas. O teletransporte tem o potencial de levar a soluções de design que acelerarão o desenvolvimento da computação quântica.
3. Sistema Biológico
O corpo humano, como todas as criaturas, está em constante mudança devido à interação de milhões de processos químicos e biológicos. Até recentemente, eles eram considerados lineares, com “A” levando a “B”. No entanto, a biologia quântica e a biofísica descobriram uma enorme quantidade de coerência dentro dos sistemas biológicos, com o QE desempenhando um papel.
A forma como as diversas subunidades de estruturas de proteínas são agrupados é desenvolvido para permitir o emaranhamento quântico sustentado e a coerência. A biologia quântica ainda é um tópico teórico com várias preocupações sem resposta; quando forem abordadas, as aplicações na medicina se tornarão cada vez mais visíveis.
A computação quântica, em teoria, pode se assemelhar melhor à natureza (simulando ligações atômicas) e sistemas biológicos quânticos do que os computadores clássicos.
4. Codificação Superdensa
A codificação superdensa é o método de transmissão de dois bits convencionais de informação usando um único qubit emaranhado. O código que é superdenso pode:
- Permite que o usuário envie metade do que é necessário para reconstruir uma mensagem clássica antecipadamente, permitindo que o usuário se comunique com o dobro da velocidade até que os qubits pré-entregues se esgotem.
- A capacidade de um canal quântico bidirecional em uma direção é dobrada.
- Converta a largura de banda de alta latência em largura de banda de baixa latência transmitindo metade dos dados pelo canal de alta latência para dar suporte aos dados que chegam pelo canal de baixa latência.
Cada geração de comunicação exigiu mais transferência de dados. Um ganho comparável de informação será possível com a codificação superdensa.
Conclusão
O emaranhamento quântico pode nos permitir trabalhar com dados de maneiras anteriormente inimagináveis. Ao integrar a computação quântica com o emaranhamento, seremos capazes de responder a questões que exigem uma grande quantidade de dados de maneira mais eficiente e segura.
Com a adição de aplicações biológicas e astronômicas, o QE pode ser usado para responder às questões que os humanos há muito ponderam: de onde viemos e como tudo começou?
Quanto mais a tecnologia avançar, mais aplicações encontraremos para ela — ela é uma tremenda promessa!
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