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.
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.
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.
Computação quântica é uma área de grande desenvolvimento hoje em dia e isso traz uma necessidade para desenvolver hardware e software. Uma vez que o hardware disponível é muito pouco e o software precisa de ser testado, existe uma necessidade de uma boa plataforma para testar as soluções de software. Simular um computador quântico num computador clássico não é ideal, contudo é uma resposta viável a esta necessidade, para um pequeno número de qubits. Além disso, os computadores quânticos necessitam dos computadores clássicos de forma a criar um sistema real prático, isto apresenta-se como uma excelente oportunidade para testar técnicas de programação clássica para melhorar a programação quântica. Esta tese propõe o uso de programação clássica para melhorar a implementação de um algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas. Os principais objectivos deste trabalho são: simular um circuito quântico; testar um algoritmo quântico e compará-lo com o seu equivalente clássico; implementar o algoritmo de adição modular, usando as capacidades de aceleração de computação das transformadas de Fourier quânticas e optimizá-lo; Testar e implementar códigos quânticos de correcção de erros; fazer um teste num computador quântico real.De forma a testar a linguagem e comparar um algoritmo quântico com um clássico, fez-se um teste ao algoritmo de Shor que está disponível de raiz na plataforma liquid. Apesar do algoritmo de Shor ter, teoricamente, uma dependência de tipo polinomial com a dimensão do problema, os testes realizados mostraram que o tempo de computação tem um comportamento exponencial. Simular um algoritmo quântico num computador clássico requer tempo de computação que cresce de forma exponencial, pois é necessário armazenar e processar todos os estados do sistema, que é um espaço de Hilbert de dimensão 2^n.O algoritmo de adição modular usando transformadas de Fourier quânticas foi implementado na plataforma liquid. Seguidamente fizeram-se melhorias e optimizações. O número de operações teórico é O(n^2). Contudo, depois de fazer melhorias ao circuito, removendo gates desnecessárias para casos específicos, o número de operações passa a ter um valor mínimo de Omega(n). Com este tipo de alterações o sistema pode apresentar melhorias no que respeito ao tempo de simulação até um factor de ordem 10. Isto mostra que programar um algoritmo quântico tendo em conta casos específicos pode melhorar imenso o desempenho da simulação.Os códigos de correção de erros quânticos foram implementados num circuito simples, com as ferramentas disponíveis na plataforma liquid, e obteve-se um sistema que consegue lidar com erros com probabilidade inferior ou igual a 2%, com uma taxa de sucesso na sua correção de 95%. Contudo são necessários circuitos muito grandes, pouco exequíveis.A plataforma disponibilizada pela IBM para fazer testes num computador quântico real, foi utilizada para testar o algoritmo de adição modular e adição normal (com carry bit). Uma vez que esta plataforma tem um número limitado de gates, reforça a ideia de que se deve otimizar os algoritmos tendo em conta casos particulares. Os resultados destes testes mostram também que é importante utilizar correcção de erros quânticos, mas para que isso seja viável é necessário que haja mais qubits disponíveis ou outro tipo de códigos.
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.
Em computação quântica e especificamente na modelagem de circuitos quânticos de computação, uma porta lógica quântica (ou simplesmente porta quântica) é um circuito quântico básico que opera sobre um pequeno número de qubits, que são as unidades básicas de informação constituída por um sistema quântico de dois estados. Estes são os alicerces de construção de circuitos quânticos da mesma forma que as portas lógicas clássicas são para os circuitos digitais convencionais. No presente trabalho, pretendemos investigar aplicações da mecânica quântica não linear q-deformada em computação quântica, assim como a construção de suas portas lógicas quânticas que possam descrever fenômenos de interesse da comunidade científica nas áreas de computação quântica, teoria quântica, entre outras. Para a escrita dos trabalhos, utilizamos a linguagem de programação LaTeX, e para o desenvolvimento de gráficos ou resoluções de equações diferenciais, fizemos o uso da linguagem de programação Python. Para isso, promovemos estudos sobre alguns tópicos de computação quântica, álgebras generalizadas, linguagem de programação Python, entre outros. Nesta etapa do projeto, consideramos as seguintes referências bibliográficas: computação quântica, álgebra q-deformada, mecânica quântica não linear, circuitos quânticos, fenômenos de decoerência quântica, e etc. e promover as suas aplicações na construção do projeto, a fim de obter resultados que auxiliem a outros pesquisadores destes tópicos de pesquisa. Foram criados circuitos e analisamos a sua entropia em relação ao parâmetro de deformação algébrico q, analisamos também a taxa de variação da modificação dos estados e das probabilidades de estados dos qubits presentes nos circuitos simulados, sendo estudados também as plotagens acerca das funções generalizadas presentes nos artigos que foram usados como base neste trabalho e projeto. e para uma melhor consolidação dos resultados, criamos uma biblioteca no python que nos auxiliou no trabalho. Foi percebido que usando a matemática não usual presente nos artigos acerca da álgebra q-deformada, o parâmetro q consegue ter um enorme controle de entropia e velocidade de convergência do circuito quântico deformado em alguns respectivos algoritmos quânticos. Vendo que a sua velocidade de convergência pode ser modificada, para maior ou menor do que a usual, verifica-se aqui a extrema importância do parâmetro q em simulações e convergências de resultados acerca dos temas aqui trabalhados.
O artigo explora o impacto da computação quântica na teoria da complexidade computacional, com destaque para as classes P e BQP, abordando como os paradigmas quânticos desafiam as categorizações clássicas de problemas. Ao examinar os algoritmos de Shor e Grover, o estudo discute a maneira como esses algoritmos ampliam o escopo de problemas considerados resolvíveis, o que anteriormente era inviável em termos de tempo polinomial em sistemas clássicos. A análise apresenta uma revisão histórica das classes de complexidade, abordando o surgimento e a importância das classes P e NP e a relevância de algoritmos quânticos em problemas intratáveis. Além disso, o artigo aborda a introdução de teorias híbridas que integram métodos clássicos e quânticos, como o Variational Quantum Eigensolver (VQE) e o Quantum Annealing, destacando a eficiência dessas abordagens para resolver problemas de otimização complexos. As discussões sobre as classes probabilísticas BPP e PP também são centrais para compreender o papel da probabilidade em algoritmos quânticos, uma característica intrínseca ao modelo de computação quântica. O estudo justifica-se pela necessidade de uma reavaliação contínua das bases da teoria da complexidade frente aos avanços quânticos, que redefinem limites teóricos e práticos. Embora a computação quântica ainda enfrente desafios, como a estabilidade dos qubits, as propostas de paradigmas híbridos oferecem caminhos promissores para resolver problemas de alta complexidade, sinalizando uma transição para uma era computacional mista, com potencial para revolucionar a resolução de problemas no século XXI.
Introdução: As abordagens Transformada Rápida de Fourier e Transformada de Fourier Quântica se tratam de transformadas matemáticas fundamentais, elas são amplamente reconhecidas pelo seu impacto no desenvolvimento da ciência e da tecnologia, porém elas possuem várias diferenças. Objetivo: O objetivo deste estudo é apresentar de forma sucinta os algoritmos de Transformada Rápida de Fourier e Transformada de Fourier Quântica para destacar suas funções principais e comparar a sua eficiência, aplicabilidade, desempenho e complexidade em relação ao modelo clássico. Metodologia: metodologia baseou-se em uma pesquisa bibliográfica de caráter descritivo e exploratório, fundamentada em livros, artigos e materiais acadêmicos que abordam a Transformada de Fourier Quântica e a Transformada Rápida de Fourier. O processo envolveu a coleta e sistematização de informações relevantes, seguido de uma análise crítica dos dados obtidos e de uma interpretação comparativa entre as duas abordagens, considerando suas complexidades, aplicações e limitações. Resultado: Os resultados indicaram que a Transformada Rápida de Fourier revolucionou a análise de sinais ao reduzir significativamente o custo computacional, reduzindo o número de operações de n² para n(log n), mas a Transformada de Fourier Quântica superou essas conquistas ao executar a mesma transformação com apenas O(n^2 ) portas, processando simultaneamente todas as amplitudes de um estado quântico. Essa característica permitiu extrair informações como padrões e períodos de forma eficiente, algo inviável em modelos clássicos. Conclusão: Concluiu-se, portanto, que a Transformada de Fourier Quântica representou não apenas uma evolução matemática da Transformada Rápida de Fourier, mas uma mudança de paradigma. Sua superioridade projetou a computação quântica como um campo com potencial disruptivo, capaz de enfrentar desafios considerados intratáveis pelo modelo clássico..