Neste artigo, abordamos o campo emergente do aprendizado de máquina quântico (AMQ) e suas aplicações inovadoras. Exploramos uma visão geral das bases da mecânica quântica relevantes para o aprendizado de máquina, destacando como os princípios quânticos podem ser utilizados para processar informações de maneira mais eficiente em comparação às abordagens clássicas. Discutimos o passo a passo de um exemplo de algoritmo quântico utilizando Qiskit, comparando-o com seu análogo clássico. Abordamos as vantagens do AMQ, incluindo o potencial de aceleração em problemas de grande escala e a capacidade de lidar com dados altamente dimensionais. Por fim, são discutidos os desafios atuais e as perspectivas futuras do campo, enfatizando seu papel na transformação de diversos setores tecnológicos. Este artigo serve como uma introdução abrangente para aqueles interessados em explorar a interseção entre aprendizado de máquina e mecânica quântica, destacando as promissoras oportunidades que essa combinação oferece.
Neste artigo, abordamos o campo emergente do aprendizado de máquina quântico (AMQ) e suas aplicações inovadoras. Exploramos uma visão geral das bases da mecânica quântica relevantes para o aprendizado de máquina, destacando como os princípios quânticos podem ser utilizados para processar informações de maneira mais eficiente em comparação às abordagens clássicas. Discutimos o passo a passo de um exemplo de algoritmo quântico utilizando Qiskit, comparando-o com seu análogo clássico. Abordamos as vantagens do AMQ, incluindo o potencial de aceleração em problemas de grande escala e a capacidade de lidar com dados altamente dimensionais. Por fim, são discutidos os desafios atuais e as perspectivas futuras do campo, enfatizando seu papel na transformação de diversos setores tecnológicos. Este artigo serve como uma introdução abrangente para aqueles interessados em explorar a interseção entre aprendizado de máquina e mecânica quântica, destacando as promissoras oportunidades que essa combinação oferece.
Este artigo investiga como o aprendizado de máquina pode ser uma ferramenta essencial para otimizar a Internet Quântica, uma área emergente da tecnologia da informação que promete revolucionar a forma como transmitimos e processamos dados. O estudo analisa o potencial dessa tecnologia para melhorar a comunicação entre nós quânticos, aumentar a eficiência da transmissão de informações, corrigir erros inerentes às redes quânticas e fortalecer a segurança. Além disso, explora o papel do aprendizado de máquina na modelagem e simulação dessas redes complexas, proporcionando uma compreensão mais aprofundada de suas operações e contribuindo para o desenvolvimento de técnicas avançadas de criptografia indispensáveis para a segurança dos dados na era quântica. A pesquisa busca responder de que maneira o aprendizado de máquina pode ser alavancado para enfrentar os desafios técnicos e operacionais na implementação e operação de redes quânticas, oferecendo insights significativos para o avanço dessa área promissora.
Esta tese explora as interseções entre Aprendizado de Máquina e Informação Quântica, investigando como ferramentas de inteligência artificial podem ser aplicadas para resolver problemas fundamentais em sistemas quânticos complexos. O trabalho foca em dois desafios principais: a classificação de fases quânticas e a predição de sincronização quântica. Na classificação de fases quânticas, apresentamos três abordagens complementares. A primeira explora a independência de modelo, demonstrando como é possível treinar um classificador em dados provenientes de um modelo de Hamiltoniano e utilizá-lo para classificar fases em um modelo distinto. A segunda abordagem emprega algoritmos de Aprendizado de Máquina Quântico (QML) com seleção de atributos baseada na técnica SHAP (Shapley Additive Explanations), otimizando a escolha de features relevantes para melhorar a precisão dos classificadores. Por fim, introduzimos o uso de redes generativas adversárias (GANs) para criar dados sintéticos, permitindo ampliar e diversificar os conjuntos de dados e, assim, aumentar a eficiência e a precisão das classificações. No segundo desafio, a predição de sincronização quântica, aplicamos um algoritmo de aprendizado supervisionado para prever a ocorrência de sincronização ou antissincronização em sistemas quânticos. Baseando-nos em dados iniciais da evolução temporal do sistema, demonstramos como identificar padrões que indicam a dinâmica futura desses fenômenos com alta confiabilidade. Esta tese contribui apresentando soluções inovadoras e um conjunto abrangente de ferramentas que conectam inteligência artificial à compreensão de sistemas quânticos. Os resultados obtidos oferecem insights valiosos para a compreensão e manipulação desses sistemas.
Este manual apresenta uma introdução técnica e aplicada à computação quântica, articulando os seus fundamentos físicos, matemáticos e computacionais com exemplos práticos de programação, simulação e análise de algoritmos. A obra explica a constituição de sistemas quânticos contemporâneos, incluindo processadores baseados em qubits supercondutores, infraestrutura criogénica, portas quânticas, superposição, interferência, medição e entrelaçamento. São desenvolvidos cálculos passo a passo para demonstrar a representação de estados quânticos, a aplicação de operadores matriciais e o comportamento probabilístico dos circuitos. O manual aborda ainda algoritmos como Grover e Shor, a utilização da biblioteca Qiskit e a diferença entre simulação clássica e execução em hardware quântico real. Em complemento, discute aplicações emergentes em química computacional, ciência dos materiais, investigação biomolecular, otimização e criptografia pós-quântica, destacando tanto o potencial transformador dessas tecnologias quanto as suas atuais limitações técnicas. A abordagem adotada procura diferenciar resultados já demonstrados experimentalmente de hipóteses, projeções e aplicações ainda em desenvolvimento, oferecendo uma visão crítica, pedagógica e cientificamente fundamentada sobre o papel da computação quântica na evolução da ciência e da engenharia.
A teoria dos algoritmos quânticos promete benefícios sem precedentes ao utilizar as leis da mecânica quântica para resolver certos problemas computacionais. Entretanto, alguns desafios impedem que tais vantagens se apliquem a todos os algoritmos quânticos. Entre esses desafios está o desenvolvimento de uma codificação eficiente de dados clássicos em um estado quântico. Em aplicações práticas, o custo para carregar a informação clássica em um dispositivo quân- tico pode dominar o custo computacional assintótico do algoritmo. Foram propostos diversos métodos baseados em circuitos para codificar dados clássicos nas amplitudes de probabilidade de um estado quântico. Entretanto, esses métodos produzem circuitos com complexidade que cresce linearmente com o tamanho do dado, anulando o benefício da aplicação quântica. O objetivo principal deste trabalho é reduzir a complexidade computacional dos circuitos para a inicialização de estados quânticos. As duas estratégias utilizadas para alcançar tal objetivo exploram a troca de complexidade temporal por espacial ou a transferência de complexidade computacional para um computador clássico. A primeira estratégia reinterpreta métodos al- gébricos para a decomposição de estados quânticos como caminhadas ao longo de árvores binárias. A segunda investiga o grau de emaranhamento de bipartições do estado quântico através da decomposição de Schmidt. Os métodos baseados em árvore alcançam uma redução exponencial na profundidade dos circuitos, em comparação às abordagens existentes. Os base- ados na decomposição de Schmidt produzem circuitos de complexidade variável, proporcional ao emaranhamento do estado. A perspectiva é que o resultado desta tese auxilie os profissionais da computação quântica durante a era dos dispositivos ruidosos de escala intermediária.
A aprendizagem de máquina quântica é um campo em rápido crescimento e tem surgido como uma alternativa à aprendizagem de máquina clássica para impulsionar a busca por soluções eficientes para certos problemas. Além disso, o avanço da tecnologia em Computação Quân- tica trouxe possibilidades para a execução de algoritmos em dispositivos quânticos reais. Aqui, centramos nossa pesquisa no estudo de uma das tarefas mais comuns dentro da aprendizagem de máquina, a classificação supervisionada. Nos nossos estudos, limitamos a temática para os classificadores quânticos baseados em distância, visando a execução dos mesmos em disposi- tivos quânticos ruidosos de escala intermediária (Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ)). Embora algoritmos quânticos anteriores para classificação baseada em distância tenham se mostrado promissores, muitos deles não são adequados com os dispositivos NISQ e não con- seguem lidar com problemas envolvendo múltiplas classes. O Hadamard Classifier (HC) é um modelo quântico de aprendizagem de máquina baseado em distância para reconhecimento de padrões. A partir dele, desenvolvemos dois classificadores quânticos baseados em distância para execução em dispositivos NISQ: o primeiro deles, Quantum One-Class Classifier (QOCC), é um modelo de classificação elementar. Nosso objetivo com o QOCC é oferecer um classi- ficador que consuma menos recursos computacionais quânticos, estando menos propenso aos erros provenientes de ruídos, ao mesmo tempo em que possui desempenho competitivo quando comparado a análogos clássicos. Os resultados obtidos nos experimentos com o QOCC foram promissores e confirmaram um desempenho equiparável tanto contra classificadores clássicos quanto contra o HC, mesmo usando menos qubits (bits quânticos) e menos operações quânti- cas. Em seguida, focamos nossos esforços em utilizar o QOCC como base para um classificador multiclasse. Nossa motivação para isso consistiu na carência desse tipo de classificador na li- teratura da aprendizagem de máquina quântica e na impossibilidade atual de executar, em dispositivos NISQ, algumas rotinas presentes nos classificadores multiclasse existentes. Propo- mos o quantum Variational Distance-based Centroid Classifier (qVDCC), que faz uso da teoria dos circuitos quânticos variacionais para, em um esquema híbrido de computação quântica- clássica, realizar a classificação de bases de dados multiclasse. Essa abordagem nos permitiu utilizar o maquinário bem-estabelecido da aprendizagem de máquina clássica para encontrar e otimizar centroides artificiais para as bases de dados que minimizassem suas distâncias para os demais dados da respectiva classe. Simulamos o funcionamento do qVDCC em dois ambientes distintos: primeiramente em uma simulação ideal (livre de erros); em seguida, em um uma simulação ruidosa que mimetiza um dispositivo NISQ. Mais uma vez, nossos resultados se mostraram promissores e competitivos em relação aos classificadores clássicos.
Introdução: A computação quântica representa uma mudança fundamental em relação à computação clássica, ao utilizar princípios da mecânica quântica como superposição, emaranhamento e interferência. Desde as propostas iniciais de Feynman e Deutsch, a área tem avançado significativamente, embora ainda enfrente grandes desafios técnicos e conceituais para sua consolidação. Objetivo: analisar os principais desafios envolvidos no desenvolvimento da computação quântica e suas aplicações práticas potenciais, com destaque para os campos da criptografia, otimização, simulação de sistemas físicos e aprendizado de máquina. Metodologia: Consistiu-se na utilização de bases de dados eletrônicas mediante a realização de uma revisão integrativa da literatura e de um estudo descritivo com enfoque qualitativo. Tal processo foi conduzido a partir da seleção de artigos disponíveis na Scientific Electronic Library (SciELO), seguindo critérios de inclusão que priorizaram publicações dos últimos quatro anos, voltadas especificamente para estudos relacionados à computação quântica, com foco em avanços tecnológicos, gargalos técnicos e perspectivas futuras. Resultados e Discussão: Percebeu-se que a computação quântica tem avançado, mas ainda enfrenta desafios significativos. Na simulação de sistemas físicos e químicos, ela pode modelar moléculas complexas com grande precisão, beneficiando áreas como a farmacologia e a engenharia de materiais. Em otimização e logística, a computação quântica pode oferecer soluções mais rápidas para problemas de alocação e roteamento. Já na inteligência artificial, estudos sugerem que técnicas quânticas podem acelerar o processamento de dados e o treinamento de modelos, potencializando o desempenho de sistemas de aprendizado. Considerações: Apesar de ainda estar em estágio experimental, a computação quântica avança rapidamente e apresenta um enorme potencial disruptivo. No entanto, para que isso se concretize, será necessário superar desafios tecnológicos consideráveis por meio da colaboração entre universidades, empresas e governos.