A Computação Quântica é uma área multidisciplinar que faz uso da Matemática, Física e Ciência da Computação, se valendo de conceitos com alto nível de complexidade em seus estudos. Tendo isso em vista, o presente trabalho busca elucidar os conceitos centrais dessa nova área do conhecimento, a fim de prover uma sólida base teórica a estudos posteriores acerca do tema. Os conceitos a serem estudados são: qubits, superposição, portas lógicas quânticas e circuitos quânticos. Visto que a implementação de tais conceitos se faz essencial a este estudo, o ambiente open source Quantum Development Kit será utilizado para analisar o comportamento de portas lógicas quânticas, qubits, da superposição de estados e do algoritmo de Grover. Este algoritmo receberá destaque em virtude do ganho significativo que ele apresenta em relação a algoritmos não quânticos que solucionam o mesmo problema.
A Computação Quântica é uma área multidisciplinar que faz uso da Matemática, Física e Ciência da Computação, se valendo de conceitos com alto nível de complexidade em seus estudos. Tendo isso em vista, o presente trabalho busca elucidar os conceitos centrais dessa nova área do conhecimento, a fim de prover uma sólida base teórica a estudos posteriores acerca do tema. Os conceitos a serem estudados são: qubits, superposição, portas lógicas quânticas e circuitos quânticos. Visto que a implementação de tais conceitos se faz essencial a este estudo, o ambiente open source Quantum Development Kit será utilizado para analisar o comportamento de portas lógicas quânticas, qubits, da superposição de estados e do algoritmo de Grover. Este algoritmo receberá destaque em virtude do ganho significativo que ele apresenta em relação a algoritmos não quânticos que solucionam o mesmo problema.
A Computação Quˆantica ´e uma ´area multidisciplinar que faz uso da Matem´atica, F´ısica e Ciˆencia da Computação, se valendo de conceitos com alto n´ıvel de complexidade em seus estudos. Tendo isso em vista, o presente trabalho busca elucidar os conceitos centrais dessa nova ´area do conhecimento, a fim de prover uma s´olida base te´orica a estudos posteriores acerca do tema. Os conceitos a serem estudados s˜ao: qubits, superposição, portas l´ogicas quˆanticas e circuitos quˆanticos. A partir desses conceitos, ser˜ao discutidos o algoritmo de teletransporte quˆantico, o paralelismo quˆantico e o algoritmo de Grover. Para tanto, ser´a utilizada pesquisa bibliogr´afica da literatura existente e o ambiente Quantum Development Kit, onde ser˜ao implementados qubits, a propriedade de entrelaçamento, portas l´ogicas quˆanticas e o algoritmo de Grover. A an´alise da implementaç˜ao do algoritmo de Grover receber´a destaque em virtude do ganho significativo que tal algoritmo apresenta em relação a algoritmos n˜ao quˆanticos que solucionam o mesmo problema.
Algoritmos Quânticos: Da lógica clássica à computação quântica apresenta uma introdução progressiva, técnica e computacional aos fundamentos e aos principais algoritmos da computação quântica. A obra parte dos conceitos clássicos de algoritmo, complexidade computacional, teoria dos números e álgebra linear para construir, passo a passo, a compreensão de qubits, superposição, medição, interferência, portas quânticas, circuitos e emaranhamento. Ao longo do livro são desenvolvidos algoritmos fundamentais como Deutsch, Deutsch–Jozsa, Simon e Grover, avançando para a Transformada Quântica de Fourier (QFT), estimação quântica de fase e o algoritmo de Shor. A obra também discute amplificação de amplitude, criptografia pós-quântica, computação híbrida quântico-clássica, VQE, QAOA, barren plateaus, ruído, correção e mitigação de erros, além dos diferentes significados de vantagem quântica e dos limites atuais da tecnologia. Uma parte substancial do livro é dedicada à implementação prática com Python e Qiskit, incluindo preparação e medição de estados, estados de Bell, circuitos de Grover, QFT, estimação de fase, demonstrações de Shor, simulação local, transpilação e execução em processadores quânticos (QPUs). O texto procura distinguir rigorosamente vantagem algorítmica teórica, vantagem experimental e utilidade prática, evitando interpretações excessivamente simplificadas da computação quântica. O objetivo é oferecer uma ponte entre Ciência da Computação clássica e computação quântica para estudantes, desenvolvedores, pesquisadores e leitores interessados em compreender não apenas como os algoritmos quânticos funcionam, mas também quando, por que e sob quais condições eles podem oferecer vantagens computacionais. Palavras-chave Computação quântica; Algoritmos quânticos; Quantum computing; Quantum algorithms; Qubits; Circuitos quânticos; Quantum circuits; Qiskit; Algoritmo de Grover; Grover's algorithm; Algoritmo de Shor; Shor's algorithm; Transformada Quântica de Fourier; Quantum Fourier Transform; Estimação quântica de fase; Quantum Phase Estimation; VQE; QAOA; Computação híbrida quântico-clássica; Criptografia pós-quântica; Complexidade computacional; Emaranhamento quântico; Amplificação de amplitude; Programação quântica.
A Computação Quântica surgiu como uma promissora tecnologia alternativa capaz de contornar os problemas previstos para acontecerem em breve com a saturação da tecnologia atual (Computação Clássica). Estes problemas acontecem quando se trabalha com componentes muito pequenos, da ordem de poucos nanômetros, quando os efeitos da Mecânica Quântica começam a tornar-se mais fortes, gerando resultados aleatórios. A Computação Quântica toma proveito desses efeitos, resultando numa Computação não somente mais rápida, como um novo tipo de Computação, capaz de realizar tipos novos de computação impossíveis, em princípio, de serem realizadas classicamente. Embora a teoria da Computação Quântica venha se desenvolvendo com rapidez, a parte experimental ainda enfrenta grandes dificuldades. Embora implementações de algoritmos simples e com poucos qubits já tenham sido realizadas, ainda há problemas sérios de escalabilidade, descoerência e controlabilidade a serem resolvidos. Devido a esses problemas, torna-se imperativo o uso de simuladores tanto para o desenvolvimento de novos algoritmos quanto para o estudo dos algoritmos existentes. A simulação, porém, apresenta um problema, no que um sistema quântico só pode ser simulado eficientemente por outro sistema quântico. Um sistema quântico de n qubits levará um tempo O(2n ) para ser simulado por um computador clássico. A simulação, entretanto, mostra-se a alternativa mais viável em vista da falta de um hardware quântico. Este trabalho apresenta o processo de concepção e implementação de um simulador universal de circuitos quânticos, denominado Zeno. O modelo de circuitos quânticos foi escolhido por ser amplamente difundido e de fácil assimilação. O trabalho apresenta uma introdução aos conceitos de Computação Quântica usados na implementação do simulador, os requisitos gerais desejáveis para um novo simulador de circuitos quânticos, tanto do ponto de vista funcional quanto do não-funcional, o processo de desenvolvimento utilizado e uma análise dos resultados obtidos com a implementação do simulador.
Uma das áreas do conhecimento mais relevante na atualidade é a computação quântica. Para se ter uma ideia, o verbete Quantum Computation aparece 4.750 vezes na base de dados acadêmica do Google1 , levando em conta apenas o ano de 2021. Pode-se dizer que este tema une ao menos duas grandes áreas: a física quântica e a ciência da computação. Particularmente, há uma interessante interface entre essas áreas: a inteligência artificial. Olhando especificamente para esta interface, temos dois aspectos cruciais: o aprendizado de máquina e a tomada de decisões. Estes temas terão profundas implicações com o que chamamos hoje de “supremacia quântica” - executar um algoritmo em um computador quântico que seja capaz de resolver um problema com uma aceleração “super-polinomial”, comparada aos computadores clássicos. Neste ensaio, buscamos destacar os fundamentos da computação quântica elucidando os conceitos de emaranhamento, paralelismo e a incapacidade de produzir cópias da unidade básica da computação quântica: o bit quântico ou, simplesmente, qubit.
A computação quântica é uma das mais promissoras tecnologias atuais, ela se baseia nos princípios da mecânica quântica para fornecer um paradigma computacional que promete um ganho expressivo de processamento. Com isso, problemas considerados intratáveis classicamente poderão ter soluções quânticas eficientes. Como até então nenhuma máquina quântica efetiva foi criada, a simulação se tornou a alternativa mais viável para o estudo e o desenvolvimento da área. Em vista disso, é necessário disponibilizar um sistema computacional que permita uma descrição em nível apropriado de um algoritmo quântico e uma “máquina” para simular esta descrição. Na literatura relacionada o estudo da computação quântica é, em geral, realizado através da linguagem de circuitos quânticos. Nesta linguagem, um algoritmo é apresentado através de sua representação visual (sintaxe) aliada à descrição e manipulação simbólica do estado do sistema (semântica). No presente trabalho é apresentado o processo de desenvolvimento de um Computer Algebra System (CAS) específico para o contexto de circuitos quânticos. O CAS foi implementado como uma extensão para o Zeno, tornando o simulador a única ferramenta do gênero a fornecer uma descrição completa da linguagem de circuitos A simulação simbólica incorporada ao Zeno permite que as descrições matemáticas do estado do sistema sejam criadas e manipuladas facilmente. Com isso, é possível simplificar ou exibir formas de representação alternativas para facilitar a compreensão e resolução do sistema investigado. O uso conjunto da abordagem numérica e gráfica com a abordagem simbólica, facilita sobremaneira o entendimento de um algoritmo e a compreensão de sua descrição matemática. As funcionalidades atualmente fornecidas pelo Zeno agilizam o desenvolvimento de algoritmos, pois permitem que os usuários trabalhem de uma forma mais rápida e eficiente do que se executarem os cálculos à mão. Além disso, o CAS possibilita a apresentação de descrições fieis àquelas exibidas na literatura.
A mecânica quântica surgiu no início do século XX explicando fenômenos da natureza que até então não correspondiam às previsões de outras teorias. À medida que a teoria evoluiu, novas tecnologias baseadas nas propriedades quânticas começaram a ser desenvolvidas, como por exemplo a computação quântica. A computação quântica busca aplicar fenômenos como superposição e emaranhamento para resolver problemas computacionais complexos de forma mais eficiente que os computadores clássicos. Neste trabalho, introduzimos de forma breve o formalismo matemático utilizado na computação quântica, bem como seus principais conceitos. Ele aborda também alguns recursos quânticos, como o direcionamento quântico e a não-localidade de Bell. Nosso objetivo é detectar esses recursos em sistemas gerados em computadores quânticos reais. Para isso, focamos nossa análise nos estados Bell-diagonais e apresentamos um circuito capaz de gerar essa classse de estados. Em especial, estamos interessados nos estados de Werner, utilizados como ferramentas para detectar recursos quânticos e seus aspectos não locais. A abordagem computacional utiliza circuitos supercondutores, um tipo de hardware quântico, implementado por meio da plataforma IBM Quantum, que oferece acesso remoto a computadores quânticos reais. Os resultados experimentais obtidos são analisados em comparação com as previsões teóricas.