Contagem decrescente para o Dia-Q - Parte 1 por @apruden08 A computação quântica aproveita a mecânica quântica, a teoria física mais precisa já criada pela ciência. Desde que o físico Richard Feynman propôs o conceito pela primeira vez em 1981, os computadores quânticos passaram da teoria para a realidade, com múltiplos protótipos funcionais disponíveis hoje. A sua realização nas menores escalas foi um triunfo teórico. No entanto, essas máquinas de primeira geração são rudimentares em comparação com até mesmo o hardware clássico de nível consumidor. Para que os computadores quânticos sejam relevantes, eles devem escalar. Embora os chamemos de "computadores", os computadores quânticos diferem fundamentalmente da máquina clássica que você está usando para ler isto. Compreender os princípios fundamentais da mecânica quântica, e em particular como ela difere das nossas noções clássicas de computação, é crítico para entender o potencial de um computador quântico e os desafios de construir um. Este post é o primeiro de uma série de cinco partes que fornecerá uma compreensão fundamental da computação quântica e uma metodologia para estimar o cronograma para um computador quântico relevante criptograficamente. Esta base fornecerá, em última análise, uma estrutura para avaliarmos realisticamente o cronograma para o Dia-Q e entender quanto tempo temos para nos preparar. Diferenças Fundamentais Entre Computação Clássica e Quântica Enquanto os computadores clássicos operam com conceitos lógicos relativamente simples, os computadores quânticos dependem de princípios da mecânica quântica que desafiam nossas intuições cotidianas sobre informação. Conceitos como superposição, entrelaçamento, interferência e o teorema da não-clonagem conferem aos computadores quânticos propriedades radicalmente diferentes em comparação com os computadores clássicos e, portanto, capacidades e limitações diferentes. Aqui estão alguns aspectos-chave da mecânica quântica que definem inerentemente um computador quântico: Superposição - Na mecânica quântica, as partículas não ocupam estados definidos como os bits clássicos. Em vez disso, elas existem em uma superposição, ou uma combinação linear de estados possíveis, descrita por uma função de onda. Esta função de onda codifica todos os estados possíveis do sistema que está descrevendo. Concretamente, enquanto um bit clássico representa definitivamente 0 ou 1, um qubit pode estar em uma superposição de ambos simultaneamente. O resultado que você obtém ao medir depende de uma distribuição de probabilidade derivada da função de onda. Em outras palavras, a superposição permite que um qubit codifique um espaço de estados muito mais rico do que um bit clássico, que é o que confere à computação quântica seu potencial exponencial. Este ponto é crucial para entender um dos principais desafios na construção de um computador quântico. Na computação clássica, a medição é passiva, pois ler a memória não a altera. Mas na mecânica quântica, o ato de medir um sistema colapsa uma superposição em um estado definido. Para obter uma vantagem significativa de um computador quântico, essa superposição deve ser cuidadosamente preservada até o momento certo. Entrelaçamento - Na mecânica quântica, as partículas podem estar entrelaçadas, o que significa que seus estados se tornam vinculados de tal forma que devem ser descritos como um único sistema. Mesmo quando separadas por grandes distâncias, o resultado da medição de uma partícula está correlacionado com (ou até mesmo determinado pelo) o estado da outra. Em outras palavras, o entrelaçamento é um tipo especial de superposição que abrange múltiplas partículas. É uma das características-chave que permite que os computadores quânticos escalem exponencialmente, mas também uma das mais frágeis de manter ao longo do tempo e/ou distância. Interferência – Uma das principais diferenças entre probabilidades quânticas e clássicas reside no conceito de interferência. Em sistemas clássicos, as probabilidades simplesmente se somam (por exemplo, ao lançar duas moedas, há 25% de chance para cada resultado). Mas na mecânica quântica, as amplitudes (os componentes da função de onda) podem interferir umas com as outras antes da medição. Essas amplitudes podem reforçar (interferência construtiva) ou cancelar (interferência destrutiva), dependendo de suas fases relativas. Os computadores quânticos podem explorar esse fenômeno para "guiar" um cálculo em direção às respostas corretas. Em vez de apenas explorar todos os caminhos em paralelo, um algoritmo quântico é projetado para que respostas erradas interfiram de forma destrutiva e se cancelem, enquanto caminhos desejáveis que levam a respostas corretas interfiram de forma construtiva e dominem o resultado final. Sem essa capacidade de amplificar resultados corretos e suprimir os incorretos, a computação quântica não ofereceria vantagem sobre abordagens clássicas aleatórias. Teorema da Não-Clonagem - Como a leitura tem um impacto direto no sistema, ao colapsar superposições em estados definidos, é impossível "copiar" estados quânticos. Este é o teorema da não-clonagem. A não-clonagem torna a implementação de primitivas de baixo nível que consideramos garantidas na computação clássica (como registros de memória) muito mais complexa na prática. Em vez disso, operações como teletransporte quântico e troca de entrelaçamento devem ser usadas para transmitir ou compartilhar informações quânticas de forma segura durante a avaliação de um determinado circuito ou programa. Poder Computacional Inigualável vs. Enorme Complexidade de Engenharia As propriedades fundamentais da mecânica quântica possibilitam um paradigma computacional muito mais poderoso. Enquanto os recursos necessários para representar um sistema complexo (como moléculas individuais em um fluido) podem sobrecarregar até mesmo o hardware clássico mais poderoso, os computadores quânticos podem aproveitar a superposição e o entrelaçamento para resolver esses problemas, que de outra forma seriam intratáveis. Um dos exemplos mais famosos é o algoritmo de Shor, que pode fatorar grandes inteiros de forma eficiente e quebrar sistemas criptográficos amplamente utilizados, como RSA e ECDSA. Ele faz isso combinando superposição para explorar muitos fatores potenciais ao mesmo tempo, entrelaçamento para manter correlações entre qubits e interferência para amplificar a solução correta enquanto cancela as incorretas. O que levaria bilhões de anos para os computadores clássicos computarem, um computador quântico suficientemente grande poderia resolver em horas. No entanto, devido à natureza da função de onda, esse paradigma é inerentemente probabilístico. Além disso, qualquer medição, ou mesmo uma interação subatômica acidental, pode instantaneamente destruir esse sistema frágil. Assim, o potencial teórico de um computador quântico é quase igualado pelos desafiadores desafios de engenharia envolvidos na construção prática de um. No próximo post, examinaremos os desafios específicos introduzidos pelo paradigma da computação quântica e construiremos uma estrutura para avaliar diferentes abordagens do mundo real para resolvê-los. Siga @qdayclock para se manter informado.