Paul Benioff, britânico criador da teoria de mecânica quântica aplicada à máquina de Turing, inventou a computação quântica em 1980. Em 1998, foi criado o primeiro computador quântico experimental, iniciando a corrida para tornar a computação quântica uma realidade comercial. O interesse pela computação quântica visa a alcançar uma “vantagem quântica”, ou seja, a capacidade de executar tarefas que não seriam possíveis em um computador clássico. Nas últimas décadas, houve um grande investimento público e privado na área em questão e, como consequência desse cenário, muitos avanços tecnológicos.
Paul Benioff, britânico criador da teoria de mecânica quântica aplicada à máquina de Turing, inventou a computação quântica em 1980. Em 1998, foi criado o primeiro computador quântico experimental, iniciando a corrida para tornar a computação quântica uma realidade comercial. O interesse pela computação quântica visa a alcançar uma “vantagem quântica”, ou seja, a capacidade de executar tarefas que não seriam possíveis em um computador clássico. Nas últimas décadas, houve um grande investimento público e privado na área em questão e, como consequência desse cenário, muitos avanços tecnológicos.
A Computação Quântica é um tópico relativamente recente e pouco conhecido, principalmente no meio da Computação.Seu estudo surgiu na tentativa de físicos simularem sistemas regidos pela Mecânica Quântica por computadores clássicos, o que se conjecturou inviável.Portanto, um novo modelo computacional que utiliza a estrutura quântica da matéria para computar foi teorizado para suprir estas deficiências.Este trabalho tem como objetivo principal estudar as influências da Computação Quântica na Teoria da Computação.Para atingir tal objetivo, primeiramente são expostos os conhecimentos básicos da Mecânica Quântica através de uma linguagem voltada para Teóricos de Computação sem conhecimento prévio na área, de forma a remover a barreira inicial sobre o tema.Em seguida, serão apresentadas inovações na área da Teoria de Computação oriundas da Computação Quântica.Começaremos com os principais Algoritmos Quânticos desenvolvidos até hoje, que foram os primeiros passos para demonstrar a possível superioridade computacional do novo modelo.Dentre estes algoritmos, apresentaremos o famoso Algoritmo de Shor, que fatora números em tempo polinomial.Adicionalmente, neste trabalho foram estudados tópicos mais avançados e atuais em Computabilidade e Complexidade Quânticas.Sobre Autômatos Quânticos, foram estudados aspectos de um modelo que mistura estados clássicos e quânticos, focando na comparação do poder computacional em relação aos Autômatos Finitos Clássicos.Do ponto de vista de Classes de Complexidade, será abordada a questão se em linguagens da classe QMA, o análogo quântico da classe NP, consegue-se atingir probabilidade de erro nulo na aceitação de instâncias positivas.
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.
Este estudo investigou os principais desafios, avanços e aplicações da computação quântica, focando no impacto em áreas como segurança digital, inteligência artificial e simulação de materiais. O objetivo geral foi analisar como a computação quântica pode transformar essas áreas e quais obstáculos técnicos e teóricos precisam ser superados para a implementação em larga escala. A pesquisa adotou uma abordagem qualitativa, sendo de caráter bibliográfico, com análise de artigos, livros e dissertações recentes que abordam a computação quântica e suas possíveis aplicações. Os resultados revelaram que a computação quântica apresenta um grande potencial para revolucionar a segurança digital, ao oferecer novas formas de criptografia resistentes a ataques de computadores clássicos. Além disso, demonstrou que a computação quântica pode acelerar algoritmos de aprendizado de máquina e otimização em inteligência artificial. Em relação à física de materiais, os avanços observados podem impulsionar a descoberta de novos materiais e fármacos, com aplicações significativas nas indústrias química e farmacêutica. No entanto, desafios técnicos como a estabilidade dos qubits, a correção de erros quânticos e a escalabilidade dos sistemas ainda precisam ser superados. As considerações finais apontaram que a computação quântica tem um grande potencial transformador, mas que estudos são necessários, em especial no que diz respeito ao desenvolvimento de hardware, software e à integração com outras tecnologias emergentes.
A computação quântica é uma área de pesquisa relativamente nova em que cientistas e empresas de todo o mundo estão investigando suas potenciais aplicações, tanto no contexto científico quanto no contexto industrial. Em particular, a implementação de algoritmos quânticos e a arquitetura de qubits são as tarefas principais para a execução das aplicações de interesse. Apesar das grandes vantagens que computadores quânticos podem proporcionar em relação aos computadores clássicos, existem grandes desafios a serem superados como a decoerência e os ruídos que interferem nos processos investigativos e nos resultados das rotinas empregadas. O trabalho investiga o passeio quântico unidimensional e sua implementação nos computadores quânticos da IBM. Comparamos os principais resultados do passeio clássico com o passeio quântico, em especial foi investigado que o passeio quântico não apresenta uma distribuição de probabilidade normal à medida que o número de passos aumenta, resultado que é observado para o passeio clássico. Além disso, o desvio padrão do passeio quântico é proporcional ao número de passos n, enquanto o desvio padrão do passeio clássico é dado por √n. Através dos computadores quânticos da IBM foram realizados simulações, primeiramente de um passeio quântico de dois qubits e outra de um passeio quântico de três qubits. Os resultados para a simulação do passeio quântico de dois qubits indicam que a simulação efetuada em um computador quântico real obteve um bom desempenho apesar dos fatores de interferência e decoerência não serem desprezíveis. No entanto, os resultados para o passeio quântico de três qubits apresentaram muito ruído.
A computação quântica está prestes a mudar o mundo tal como o conhecemos. Através da exploração das propriedades da teoria quântica para fins computacionais, é esperada uma redução substancial na quantidade de problemas que hoje são considerados intratáveis. Isto significa que os computadores quânticos têm a capacidade de devolver soluções para alguns problemas de interesse prático para os quais um computador clássico não consegue devolver, pelo menos em tempo útil. Isto é ainda mais revolucionário e notável pelo facto de que esses problemas abrangem domínios multidisciplinares como Química, Medicina e, mais relevante no contexto desta dissertação, Finanças.Neste trabalho, vamos focar-nos na utilização da computação quântica para abordar um problema relevante e atual no domínio financeiro. Mais especificamente, um problema de otimização combinatorial, o problema de otimização de portfólios, que consiste em selecionar o melhor portfólio financeiro (combinação de ativos) entre um conjunto de todos os portfólios possíveis, de acordo com uma certa função objetivo, comummente de forma a maximizar o retorno esperado ou minimizar o risco. Devido ao grande número de parâmetros, como o retorno esperado por ativo e as condições de mercado, este problema atinge uma complexidade exponencial e é um problema NP-hard, intratável no contexto da computação clássica.Nós desenvolvemos um estudo empírico acerca da influência dos parâmetros nas soluções devolvidas por um computador quântico para o problema de otimização de portfólios. Em particular, utilizamos um computador quântico da D-Wave e variamos os parâmetros relacionados não só com o computador quântico, mas também com o problema de otimização de portfólios. Acreditamos que as conclusões do estudo são contribuições úteis para qualquer investigador que deseje utilizar computadores quânticos adiabáticos no contexto do problema de otimização de portfólios e também noutros domínios de aplicação.As nossas descobertas sugerem que os parâmetros têm efeito nos resultados, quer sejam relacionados com o problema de otimização de portfólios ou com o computador quântico. Além disso, também descobrimos que alguns dos parâmetros têm um grande impacto, tal como o chain strength, que define a força com a qual os qubits que representam uma variável estão correlacionados, e que outros não têm nenhum efeito estatisticamente significativo, tais como o anneal schedule ou o embedding.
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.