Este trabalho apresenta a implementação de um emulador de circuitos quânticos em FPGA, com foco na aplicação do algoritmo de busca de Grover. O sistema transmite os coeficientes probabilísticos dos estados quânticos via UART para um microcontrolador, o que possibilita a validação prática por meio da comparação com simulações realizadas no Qiskit. A arquitetura, baseada em aritmética de ponto fixo, obteve resultados compatíveis com modelos teóricos, utilizando poucos recursos lógicos. São discutidas a relevância do algoritmo para a cibersegurança pós-quântica e o potencial do protótipo como ferramenta de apoio à análise e mitigação de vulnerabilidades criptográficas.
Este trabalho apresenta a implementação de um emulador de circuitos quânticos em FPGA, com foco na aplicação do algoritmo de busca de Grover. O sistema transmite os coeficientes probabilísticos dos estados quânticos via UART para um microcontrolador, o que possibilita a validação prática por meio da comparação com simulações realizadas no Qiskit. A arquitetura, baseada em aritmética de ponto fixo, obteve resultados compatíveis com modelos teóricos, utilizando poucos recursos lógicos. São discutidas a relevância do algoritmo para a cibersegurança pós-quântica e o potencial do protótipo como ferramenta de apoio à análise e mitigação de vulnerabilidades criptográficas.
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.
Realizar computacao quântica real esta no roteiro de trabalho de empresas gigantes da computacao como Microsoft, Google e IBM. Algumas delas disponibilizam acesso a seus prototipos gratuitamente por meio de suas APIs para pesquisadores de todo o mundo a fim de popularizar o assunto entre a academia e entusiastas. Este e o caso do Qiskit, uma API Open Source escrita em Python para dar suporte a modelagem, simulacao e execucao de algoritmos quânticos em dispositivos NISQ (Noise Intermediate Scale Quantum) da IBM. Porem, a dificuldade de construir um computador quântico torna ainda necessario investir na simulacao de sistemas quânticos em computadores classicos, com o objetivo de fornecer um ambiente mais acessivel para criacao e aprimoramento de algoritmos quânticos maiores do que os prototipos existentes podem suportar. Acontece que a natureza paralela e exponencial da computacao quântica torna impossivel realizar simulacoes com eficiencia de tempo em maquinas sequenciais classicas. Para enfrentar este problema, a literatura tem mostrado alternativas explorando o paralelismo de outras arquiteturas como FPGAs e GPUs, com o objetivo de transferir a complexidade da simulacao do dominio do tempo para o dominio do espaco. Curiosamente, apesar de suportar simulacao em GPU, a API Qiskit ainda nao possui suporte para executar em FPGA. Pretendemos investigar diferentes modelos de arquitetura customizada para simulacao de algoritmos quânticos em FPGA, visando futura implementacao em um ASIC. Os modelos serao implementados em Verilog HDL, validados usando os prototipos de computadores quânticos da IBM como modelos de referencia, e serao comparados tendo como metricas de avaliacao parâmetros como escalabilidade e tempo de execucao. A ideia final e contornar o mecanismo de simulacao nativo da Qiskit para executar remotamente em um modelo FPGA disponivel remotamente por meio de nosso servico web capaz de processar essas solicitacoes, executar o algoritmo quântico e enviar os resultados finais de volta. O projeto encontra-se em desenvolvimento, ja tendo sido realizado os primeiros estudos sobre os fundamentos da computacao quântica, estudo da API Qiskit, e implementacao dos primeiros circuitos quânticos em C e em Python visando entendimento e desafios da complexidade de simulacao inerentes a esse novo modelo computacional.
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.
A Computacao Quântica surgiu como uma promissora tecnologia alternativa capaz de contornar os problemas previstos para acontecerem em breve com a saturacao da tecnologia atual (Computacao Classica). Estes problemas acontecem quando se trabalha com componentes muito pequenos, da ordem de poucos nanometros, quando os efeitos da Mecânica Quântica comecam a tornar-se mais fortes, gerando resultados aleatorios. A Computacao Quântica toma proveito desses efeitos, resultando numa Computacao nao somente mais rapida, como um novo tipo de Computacao, capaz de realizar tipos novos de computacao impossiveis, em principio, de serem realizadas classicamente. Embora a teoria da Computacao Quântica venha se desenvolvendo com rapidez, a parte experimental ainda enfrenta grandes dificuldades. Embora implementacoes de algoritmos simples e com poucos qubits ja tenham sido realizadas, ainda ha problemas serios de escalabilidade, descoerencia 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 simulacao, porem, apresenta um problema, no que um sistema quântico so pode ser simulado eficientemente por outro sistema quântico. Um sistema quântico de n qubits levara um tempo O(2n ) para ser simulado por um computador classico. A simulacao, entretanto, mostra-se a alternativa mais viavel em vista da falta de um hardware quântico. Este trabalho apresenta o processo de concepcao e implementacao de um simulador universal de circuitos quânticos, denominado Zeno. O modelo de circuitos quânticos foi escolhido por ser amplamente difundido e de facil assimilacao. O trabalho apresenta uma introducao aos conceitos de Computacao Quântica usados na implementacao do simulador, os requisitos gerais desejaveis para um novo simulador de circuitos quânticos, tanto do ponto de vista funcional quanto do nao-funcional, o processo de desenvolvimento utilizado e uma analise dos resultados obtidos com a implementacao do simulador.
Este resumo expandido analisa a redução da margem de segurança em algoritmos de chaves simétricas pelo avanço da computação quântica, focando especificamente no funcionamento lógico e matemático do Algoritmo de Grover. O objetivo principal é mostrar como a aceleração quadrática (O(√N)) na busca em bases de dados não ordenadas compromete padrões criptográficos que são muito utilizados nos dias de hoje, como o AES-128. Por meio de uma análise teórica e proposta de implementação via IBM Qiskit, demonstra-se que a vantagem computacional quântica exige a migração imediata para chaves de 256 bits a fim de manter a robustez contra ataques de força bruta na era pós-quântica.
Com o avanço da nanotecnologia, a computação quântica tem recebido grande destaque no meio científico. Utilizando os fundamentos da mecânica quântica, têm sido propostos diversos algoritmos quânticos. E, até então, os mesmos têm apresentado ganhos significativos com relação às suas versões clássicas. Na intenção de poder ser verificada a eficiência dos algoritmos quânticos, diversos simuladores vêm sendo desenvolvidos, visto que a confecção de um computador quântico ainda não foi possível. Há duas grandes vertentes de simuladores: os simuladores por software e os simuladores por hardware, chamados de emuladores. Na primeira classe se encontram os programas desenvolvidos em um computador clássico, procurando implementar os fundamentos da mecânica quântica, fazendo uso das linguagens de programação clássicas. Na segunda, são utilizados recursos que não estejam vinculados à plataforma do computador clássico. Dentre os emuladores, particularmente, estudos têm sido realizados fazendo uso de hardware dedicado (mais especificamente, FPGAV). O presente trabalho propõem a verificação da real utilidade da plataforma FPGA, com a intenção de se desenvolver um emulador universal, que permita a emulação de qualquer classe de circuitos, e que os mesmos possam ser implementados com um maior número de q-bits em relação aos circuitos tratados nos trabalhos anteriores.