O ‘ASSOMBROSO’ mundo da “Computação Quântica”

Além da física clássica, existe a física quântica…desenvolvida no começo do século XX.   É uma física desconcertante – e, se a física quântica é assim…computadores baseados nela não seriam muito diferentes… Computando inúmeras possibilidades e resultados   de uma só vez – são capazes de realizar…literalmente… ‘tudo ao mesmo tempo agora’.

computadorpessoal

Computador pessoal completa 25 anos…                “A Rede é para todos…e juntos temos o poder de mudá-la. Não será fácil, mas com um pouco de sonho e muito trabalho… – poderemos conseguir”. (Tim Berners-Lee)

O primeiro computador pessoal – o ‘PC‘… foi lançado pela ‘IBM’ no dia 12 de agosto de 1981, causando uma revolução – tanto no ambiente de trabalho, como nas residências. – Com jogos e ferramentas rudimentares, incluindo um tutorial de música…gráficos em 4 cores diferentes… – e linguagem de programação Microsoft BASIC, a versão mais barata vinha com CPU…teclado, sem incluir monitor…e o drive de disquete – mais um alto-falante mono embutido…e…só 16kb de memória.

Havia também um jogo de aventura  –  que não usava gráficos, apenas texto … chamado Microsoft Adventure. A Microsoft também fornecia o sistema operacional das máquinas originais, o DOS. Os drives de disquete eram opcionais…e um de 5.25 polegadas poderia armazenar outros 160kb de informação… — Já o consumidor atual, tem disponível…por exemplo, um processador duplo de 1.8 GHZ; acima de 765 vezes mais potente, do que o      PC original…Com 1GB de memória, ela tem 65 mil vezes mais capacidade do que o IBM inicial. E seu ‘disco rígido’ de 160GB, equivale a mais de 1 milhão dos disquetes de 1981.

Dessa forma…o PC ajudou a padronizar a informação mundialmente.          Seus dados passaram a ser lidos em outros PCs, e existem mais de um bilhão deles em operação no mundo de hoje. (16/11/2006) (texto base)

computador5Uma breve história da Computação  “A era da informação começou… ao se perceber que as…máquinas… poderiam  tentar imitar… — o… poder da mente.”

Pela história tradicional a ‘computação‘ evoluiu rapidamente, em curto período de tempo. Computadores iniciais eram máquinas gigantescas — instaladas em laboratórios — na…2ª Guerra Mundial. ‘Microchips’ os reduzem a ‘desktops’, a Lei de Moore prevê o quanto serão potentes, e a Microsoft capitaliza o ‘software’…Por fim, surgem aparelhos pequenos e baratos capazes de informar e transmitir vídeos ao redor do mundo. Esse é um modo de abordar a história da…”eletrônica do estado sólido”…até hoje.  Mas a computação existia muito antes do transistor…Astrônomos na antiguidade criaram modos de prever movimentos de corpos celestes… Os gregos deduziram forma e tamanho da Terra…Impostos eram somados – distâncias mapeadas…De fato, computar sempre foi uma busca da humanidade… – A aritmética auxiliava o homem a interpretar o mundo…e, a…”era da computação“… – nasceu da tentativa de ultrapassar os seus limites práticos.

computador1Máquinas de somar e caixas registradoras, surgiram primeiro – mas…era igualmente crítica a busca pela organização de computações matemáticas usando o que hoje costumamos denominar — “programas”.

A ideia de um ‘programa’ surgiu nos anos 1830, um século antes do período tradicionalmente atribuído ao nascimento do computador…Posteriormente, os computadores eletrônicos modernos, que surgiram durante a 2ª Guerra Mundial… originaram a noção de um computador universal…uma máquina capaz  de processar todo tipo de informação… — podendo    inclusive — manipular os seus próprios programas.

Esses são os computadores que movem o ‘mundo atual’… – E, embora pareça que a tecnologia da computação tenha amadurecido… a ponto de se tornar onipresente e aparentemente ilimitada, pesquisadores buscam inspiração na mente, em sistemas biológicos, e na física quântica para criar tipos completamente novos de máquinas.

Benvindo à era dos Computadores quânticos                                                                  “Estamos na infância da ‘era quântica’… – Em 5 anos, vamos ter máquinas confiáveis.        Em 10, estaremos diante de máquinas poderosas. Em 20, não consigo nem imaginar”.(Frederico Borges de Brito…professor do Instituto de Física da USP — em São Carlos)

Existem 3 maneiras de fazer um computador trabalhar mais rápido…Uma é usando vários computadores para um mesmo fim. Outra, é construindo novos computadores (hardware) mais eficientes. E a 3ª é elaborar ‘algoritmos computacionais’…(software)…que permitam uma maior rapidez em todas suas atividades.

Um algoritmo é uma equação computacional  que recebe algum ‘conjunto de valores’ como entrada, e produz algum conjunto de valores como resultado – levando em conta todas as variáveis que possam surgir…Os ‘algoritmos clássicos’… usados nos computadores atuais, baseiam-se em ‘procedimento passo a passo’ onde muitos milhões destes ‘procedimentos’ são realizados ao longo do mínimo intervalo de 1 segundo … se utilizando da operação de milhões e milhões de… “transistores” … que, ligados/desligados – assumem valores…0/1.

Se você possui um computador, esteja certo de que ele é um ‘clássico’… Não que seja velho, ou de um modelo venerado pelo estilo, mas porque funciona basicamente de acordo com a chamada física clássica criada pelo inglês Isaac Newton há 300 anos… – Nesse sentido, ele não difere muito de um ‘ábaco‘ de mais de 2.500 anos atrás… que era pouco mais que um amontoado de pedrinhas movidas manualmente para efetuar cálculos. – A diferença é que, ao invés de pedras, computadores de hoje lidam com elétrons, e em vez de mãos, possuem milhões de chips cheios de microcomponentes movendo esses elétrons à velocidade da luz.

Os computadores quânticos, usando, por exemplo – átomos… como bits quânticos, ou qubits… podem ter alterado seu magnetismo, ou outras de suas propriedades, a fim de representar 0 e 1… ou mesmo, os 2 estados sobrepostos… — Sendo capazes de executar muitos procedimentos em um único passo … por meio de ‘algoritmos quânticos(muito diferentes da lógica utilizada nos programas atuais)…poderão fatorar grandes números, revolucionando a ‘criptografia’…e cálculos complexos…do tipo ‘previsão meteorológica’. 

computação-quânticaProcessamento quântico

Computadores atuais têm em um “dígito binário” (‘bit‘) sua unidade fundamental  de informação; a qual só pode assumir 2 valores (zero ou 1), e formando a base da armazenagem de informação … utilizada na computação digital. Uma série de bits em conjunto…combinados em grupos de  8… – então…se convertem em… “bytes“.

Já computadores quânticos não são baseados em bits, mas sim, em qubits (bit quântico), que indicam sua unidade fundamental de informação. – Nesse caso, em vez de operarmos apenas com os números 0 e 1, há uma gama maior de possibilidades. Além do qubit poder estar em um estado de ‘superposição‘… que é ao mesmo tempo 0 e 1… ele também pode oscilar no espaço intermediário destas posições, como interruptores de luz que pudessem estar 1/2 desligados. Isso os torna úteis para armazenar e processar dados quanticamente.  Pares de átomos…quando forçados a conviver em espaços limitados, em um “computador quântico”, podem ser manipulados para — enquanto se entrelaçam — estar em diferentes estados simultaneamente…e assim, processar exponencialmente mais informação do que    um “computador tradicional” — Para se ter uma ideia da eficiência de seu desempenho, enquanto computadores atuais processam dados em blocos de 64 bits de cada vezum ‘computador quântico’no qual um qubit consegue guardar os valores 0 e 1 — ao mesmo tempo – com esses mesmos 64 qubits – será nada menos do que 264 vezes mais rápido.

Para desenvolver o processamento na computação quântica porém, é preciso descobrir como fazer para que cada par de átomos oscile… – e se mova independente dos demais, como 2 moedas que estivessem girando, simultaneamente no ar… – correlacionadas de modo a que – sempre que uma delas tem o lado cara para cima…a outra assume coroa. Essas propriedades na computação quântica correspondem aos clássicos ‘transistores’.

Superposição quântica

A ‘superposição quântica‘ representa a possibilidade de um “objeto” assumir uma combinação de propriedades que segundo  nossa primitiva intuição clássica … seriam “mutuamente excludentes”. – Como lei da mecânica quântica… postula que… — para  qualquer ‘sistema quântico’ no qual exista alguma… “determinada quantidade“… de informação observável… – sempre haverá  sobreposição de 2 ou + ‘estados possíveis’.

Isso implica, para a computação quântica, que o qubit pode assumir os valores 0 e 1, além de uma sobreposição destes 2 valores…Tomando como exemplo uma bola de gude, que só pode ser inserida em 2 buracos diferentes, os quais chamaremos de buraco 0 e buraco 1 – este formato clássico, usando apenas um bit de informação, nos deixa ver completamente a situação da bola de gude… – que só pode assumir o valor 0 ou 1. Idealizemos agora, um análogo microscópico dessa ‘bola de gude’… – que satisfaça às leis da mecânica quântica:

Há alguns anos já é possível colocar ‘microeletrodos’ numa placa de silício de modo a prender o elétron individual em uma de 2 posições próximas… Essas 2 regiões são denominadas “pontos quânticos”            e…assim como no caso da bola de gude…chamamos de pontos 0 e 1.

Segundo a mecânica quântica…é possível colocarmos o elétron numa situação em que 2 propriedades mutuamente excludentes se combinem de uma forma especial. No caso do elétron, além de podermos colocá-lo no ponto 0, ou no 1, podemos também colocá-lo em uma situação na qual ele se comporte…como se estivesse nos 2 pontos ao mesmo tempo. Diz-se então… que o elétron está em um “estado de superposição” entre os 2 pontos.

Amplitudes de probabilidade

Tal superposição pode ser criada com várias gradações – ou seja…podemos escolher o…’peso‘… de cada uma das possibilidades clássicas — de posição. Esses pesos, mais conhecidos como…  amplitudes de probabilidade… melhor descrevem a superposição do elétron (“estado“)…Se colocarmos a bola de gude no “buraco 0″…nada do que fizermos no “buraco 1”, a afetará.

É neste ponto que a condição do elétron é diferente. — Num estado de superposição das 2 posições  –  o elétron é afetado pelo que se faz nos 2 pontos quânticosSuas  propriedades mensuráveis se alteram, de acordo com aquilo que se faz com os 2 conjuntos de eletrodos;  aqueles que controlam o ponto 0…e os do ponto 1. Isto porque o elétron é ‘quanticamente’ descrito por “amplitudes de probabilidade”…afetadas por manipulações dos eletrodos em cada ponto. Inexplicavelmente…se for aferida a posição após a criação da superposição, o elétron será encontrado num dos pontos…influenciado apenas por eletrodos desse ponto.

Ou seja, ao medirmos a posição do elétron, destruímos a superposição, e daí em diante, o elétron volta a sua posição estável…como ‘bola de gude’.

Essa fragilidade dos “estados quânticos” – com efeito – é uma questão fundamental para a confiabilidade dos computadores quânticos do futuro. Uma das principais razões para isso é que os sistemas quânticos — os qubits aí incluídos — podem ser alterados por ruídos eletromagnéticos mínimos. – Construí-los, portanto, provou ser um grande desafio, pois a propriedade que lhes garante efetuar cálculos simultâneos é fruto dessa delicada condição de sobreposição de estados…Para que a computação quântica atinja seu máximo potencial, é pois necessário preservar o “estado quântico puro” nos sistemas quânticos… tornando os qubits imunes à influência do meio ambiente. – Este é, aliás, o grande ‘gargalo’ nesta área; chamado de ruído, ou “mistura estatística“…termo cunhado para descrever a ausência desse estado puro, como explica Youssef Moussa do Instituto de Física de São Carlos, USP:

“O meio ambiente – necessariamente – conduz o estado puro do           sistema quântico à uma mistura estatística (caótica) de estados”.  

‘Trajetória das partículas quânticas  A definição entre a vida e a morte do Gato de Schrodinger não é instantânea – ainda que não seja tão suave e contínua, quanto    à mera ocorrência de um ‘evento clássico’. 

Se você joga uma bola … para outra pessoa, a bola seguirá sua rota de forma contínua e direta… Mas, se a bola for pequena demais, um átomo ou uma molécula…por exemplo, ela obedecerá às leis da mecânica quântica, e não da mecânica clássica – o que tornará as coisas realmente bem mais complicadas.

Partículas quânticas podem existir em uma ‘sobreposição de estados’ – como estarem em dois lugares ao mesmo tempo, só “escolhendo” um deles quando se tenta medir onde elas realmente estão. Assim, parecia impossível estabelecer uma trajetória contínua para uma ‘partícula quântica’ – só podendo localizar pontos bem discretos de sua rota… ou lá ou cá.  O exemplo mais conhecido desse fenômeno … é o famoso experimento mental conhecido como “Gato de Schrodinger, em que um gato é posto em uma caixa – onde um frasco de veneno pode ser aberto pelo “estado” de uma partícula quântica. – O gato estaria em um estado de superposição vivo e morto ao mesmo tempo…já que sua condição definitiva só    se definiria quando a caixa fosse aberta… o que equivale à medição da partícula quântica.

Mas agora, uma equipe de físicos das universidades de Rochester, Berkeley e Washington, todas nos EUA…demonstrou que não é bem assim – estabelecendo um caminho provável entre a vida e a morte do gato…O evento não seria instantâneo, com o gato seguindo uma rota contínua de sua vida até sua morte… – o gato morre suavemente… – por assim dizer.

esfera-bloch

Dados mostrando o caminho “mais provável” (vermelho) entre estados quânticos iniciais e finais (pontos pretos) são representados numa esfera de Bloch. [Areeya Chantasri]

Conforme um estado quântico colapsa, saindo de uma superposição, e assumindo um estado clássico… ou, até uma superposição diferente, ele segue um caminho…mais conhecido como ‘trajetória quântica‘… — onde… entre cada “estado origem”… e…”estado final”… – há um caminho mais provável (‘ótimo’). O problema  é que é muito complicado prever tal caminho,  ou mesmo rastreá-lo… – ‘experimentalmente.

Para conseguir isso – a equipe criou um qubit supercondutor com propriedades de coerência muito precisas… Esse tipo de sistema quântico é chamado de “átomo artificial“… podendo ele permanecer em uma “superposição quântica“,  durante todo um — ‘monitoramento contínuo’.

O experimento tirou proveito… do fato de que… – qualquer medição perturba um sistema quântico…exceto as chamadas medições fracasIsto torna possível traçar o caminho ideal da partícula…efetuando medições contínuas, ou seja…forçando-a a passar continuamente, de um estado quântico para outro; como explicou Andrew Jordan, pesquisador da equipe:  “O experimento mostra que, para qualquer escolha de estado quântico final…o ‘caminho ideal’ mais provável em um determinado momento, pode ser encontrado e previsto. Isto confirma a teoria; e abre possibilidade para novas técnicas de controle quântico ativas.”

Controle quântico … das ‘reações químicas ativas’                                                          Químicos controlaram o campo quântico com o laser, e                                                            esse campo — controla a dinâmica das reação química”.

Kater Murch, coautor do estudo, ressalta que esse “controle quântico ativo” é de especial interesse para os químicos, pois estes, nos últimos 20 anos…desenvolveram uma técnica chamada “controle quântico“…na qual pulsos de laser são usados para dirigir reações químicas – ou seja…conduzi-las entre 2 estados quânticos. E ainda confidenciou o físico:

“Eventualmente, seremos capazes de controlar a dinâmica das reações químicas com lasers – em vez de apenas misturar um reagente (1) com     um reagente (2)… e deixar assim…a reação evoluir por conta própria”.

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O qubit supercondutor usado no experimento – um átomo artificial – é mantido a uma temperatura de 7 milliKelvin. Com o ruído termal suprimido a esse nível, o dispositivo entra naquilo que os físicos chamam de “espaço quântico”. [Imagem: Joe Angeles/WUSTL]

O resultado também… “impacta” sobre a “computação quântica“, desafiando a interpretação clássica da teoria, também conhecida como… interpretação de Copenhague‘…que faz estabelecer uma “passagem instantânea” entre os estados clássico e quântico… — Entretanto — em desacordo com essa perspectiva clássica, o ‘monitoramento’ em tempo real de um ‘sistema quântico’… – mostra que este é um…”processo contínuo“… do qual é possível… – constantemente… – extrair informações do sistema — conforme ele “muda de estado“… detalhe este aliás que nunca foi considerado… “acessível”, de acordo com a opinião – dos próprios “fundadores”…da… “teoria quântica“.

‘Computador pessoal’ # ‘Superposição Quântica’ # ‘acoplamento de átomos à laser’  ‘1º cálculo de programa quântico’  ‘estado-quantico-puro’  ‘trajetoria-particulas-quanticas’  *********************************************************************************

O fantástico potencial da computação quântica (Mar/2019)                                          A computação quântica é o próximo grande passo da humanidade,                                  todavia… seremos bons, o suficiente – para administrar tal poder?

Quantum ComputingNós, seres humanos – tivemos por centenas de milhares de anos…galhos, pedras, nossos cérebros, e também fogo, como ferramentas. Mas hoje, indiscutivelmente, sabemos que a maior ferramenta já criada, é o computador. No pequeno intervalo de tempo…a partir de meados do século 20…até agora – logramos experimentar um progresso exponencial… à medida que o poder de processamento praticamente dobra – no período de poucos anos. Contudo, essa regra computacional, conhecida como ‘Lei de Moore’, está chegando perto de seu limite, pois seus componentes estão cada vez mais próximos do tamanho atômico.

Os computadores são essencialmente uma coleção de componentes simples, cada um com tarefas bem definidas: armazenamento de memória, processamento de dados, via lógica e matemática, e um modo de controlar tudo através de instruções. Um chip de computador é um dos componentes mais básicos…Cada um deles tem vários módulos, realizando algo específico, ditado por “portas lógicas”, feitas de transistores (0 ou 1 ‘bits’). Um monte de “transistores” compõem as portas lógicas … permitindo combinações que podem realizar operações mais avançadas, como multiplicação e divisão. – Com muitos desses, podemos calcular muitas informações, e realizar trabalhos importantes… por exemplo, em ciência!

Transistores também podem ser considerados interruptores que ligam ou desligam o fluxo de elétrons. Nesse nível, e à medida que se tornam cada vez menores, nos vemos perto das escalas ditadas pela “física quântica”. – Atualmente, um transistor pode medir cerca de 40 nanômetros ou menos; quase 500 vezes menor que uma célula média do corpo. Eles estão operando quase que na escala de um átomo. – Nesse nível…os elétrons não precisam fluir, eles podem se mover apenas usando “tunelamento quântico“. – Então, por isso… para aproveitar a física em um nível quântico…estamos produzindo “computadores quânticos”. 

superposição

superposição & teletransporte quânticos

Em vez de usar ‘bits’, como nossa menor unidade de informação, agora temos ‘qubits’. Assim como bits têm 2 estados – qubits também representam apenas 2 estados … todavia, podem ser definidos usando qualquer propriedade física atômica, tais como “spin” de partículas…ou uma “polarização” horizontal/vertical…sob um “campo magnético”.

Além disso, na física quântica, os estados não precisam estar apenas ligados ou desligados (sim ou não) … eles também podem tirar proveito de uma “superposição”… a propriedade quântica que permite a uma partícula – se encontrar em qualquer combinação/proporção daqueles estados. Assim como no exemplo do gato de Schrodinger, uma partícula pode ser qualquer coisa, mas quando você realmente a testa ou observa…estará apenas em 1 estado.

Enquanto não estiver sob observação, a partícula pode ser              parcialmente polarizada vertical e horizontalmente…mas,                      quando verificada … mostrará apenas um desses estados.

Assim, com a “superposição” nos computadores quânticos, agora temos um número drasticamente maior de combinações potenciais. Na computação clássica, 4 bits geram      um total de 16 combinações possíveis, mas apenas uma delas pode ser usada. Porém, 4    qubits podem armazenar TODOS esses 16 valores de uma só vez…Nosso problema de capacidade limitada… deixa de ser um problema. – Outra propriedade impressionante      que os qubits podem exibir é o ‘emaranhamento quântico‘…no qual 2 qubits estão misteriosamente ligados, não importando quão distantes estejam no mundo físico… e, reajam aos estados um do outro…Usando essa propriedade, podemos medir um qubit,      e… conhecermos as propriedades de seu… “qubit emaranhado“… — ao mesmo tempo.

teletransporte quântico

O estudo do entrelaçamento quântico também permite a pesquisa… sobre o chamado…teletransporte quântico”. Colocando partículas, já entrelaçadas, em diferentes locais podemos usar os métodos clássicos de comunicação, para enviar estados de uma partícula, em direção ao seu “par emaranhado”, independente da distância entre eles.

E uma outra propriedade que também podemos dispor é a…”manipulação de qubits“.  Normalmente, nossas portas lógicas de computação…para um conjunto de entradas, nos fornecem uma ÚNICA saída. Já uma porta quântica recebe uma entrada de qubits em superposição, gerando probabilidades, e uma nova superposição. Nesse ponto, os qubits podem ser medidos, e obtemos os 0s e 1s…os dados de que precisamos. O segredo aqui é que TODAS respostas possíveis são geradas ao mesmo tempo…e, não mais a única saída,    da porta lógica tradicional. A resposta que recebemos provavelmente é a correta, mas há uma pequena chance de não ser. – No entanto…como TODAS as possibilidades já foram criadas…é rápido o trabalho para percorrer o restante…até chegarmos ao caminho certo.

Então, apesar deste procedimento não ser exatamente perfeito…o que realmente torna fantástica a…”computação quântica”…além da quantidade de dados que podemos nela armazenar, é o quão rápido e eficiente ela é. – Uma ótima aplicação para isso, pode ser exemplificada em um…“banco de dados”…onde agora armazenaremos uma enorme quantidade de informação…com muito mais rapidez de pesquisa. – E, William Hurley, presidente do Grupo de Normatização da Computação Quântica, do IEEE, completou:

quamtum computer“Acredito que a computação quântica um dia, poderá nos ajudar bastante a compreender o enorme volume de dados que temos estocado, tentando resolver – alguns certos problemas. Existem sistemas… gerando bilhões de dados por dia — os quais podem ser a solução para algumas…questões críticas — que podem ser, inclusive – de um grande interesse social”.

As “simulações quânticas” também são muito beneficiadas…ao se usar da computação quântica… Um enorme número de cálculos e probabilidades pode ser assim gerado a taxas incríveis. Tais simulações nos ajudarão em…pesquisas climáticas, doenças genéticas, física teórica (é claro!)…e, em geral – qualquer problema que necessite de quantidades massivas de processamento de dados. – Como exemplo, podemos relacionar as seguintes atividades:

Engenharia Civil e Urbanismo; Engenharia Química e Modelagem Molecular; Engenharia genética; Fatoração/criptografia; Inteligência artificial e robótica; Simulações de modelos em física de partículas…Imageamentos espaciais/dados do SETI…Previsão meteorológica.

Ademais, uma Internet quântica levará o acesso à informação a um nível inteiramente novo, permitindo sua… distribuição – sujeita a um alcance inimaginável… (texto base)  ********************************************************************************      p/ Consulta:Optimal quantum computation linked to gravity” ………. (jun/2019)            A Problem That Only Quantum Computers Will Ever Be Able to Solve(jun/2018)    Quantum jumps aren’t as weird as Einstein and Schrödinger thought..(jun/2019)    ****************************(texto complementar)****************************

matrixtv

Será que nós próprios não poderíamos estar vivendo dentro de uma simulação do tipo Matrix? [Sourceforge]

Matrix“a Arte que imita a Vida”

Todos os fãs da trilogia Matrix sempre se questionaram, da possibilidade que fôssemos uma espécie de…”agentes de software” da vida real… Ou mesmo, se o que chamamos “vida real”, não seria de fato uma “vida virtual” fundada em uma outra realidade à qual não temos acesso direto. Agora esta questão está sendo levada a sério…pelos cientistas, que estão propondo um ‘teste’ — para sabermos se estamos ou não, vivendo em uma ‘simulação computadorizada’.

A ideia, proposta por uma equipe da Universidade de Bonn, Alemanha parece ir bem mais longe do que outro conceito, também atual, de que nosso universo pode ser um gigantesco ‘holograma‘. Segundo eles, mesmo nossos ‘deuses-programadores’ devem ter à disposição, uma capacidade de processamento limitada…e, sobretudo, cometer erros de programação.  E essas imperfeições devem criar erros na simulação, que podemos ser capazes de detetar.  Com efeito…as simulações computadorizadas são uma das principais ferramentas usadas pelos cientistas hoje, sejamos virtuais ou não. Os simuladores permitem estudar tudo…de um você-virtual, e da física dos arco-íris…até o Universo…passando pelo ‘planeta Terra‘ e nascimento das galáxias. – As simulações costumam criar matrizes 3D … de “células”…ou “átomos”, interagindo de modo crescente – até formar a coisa toda que se propõe estudar.

Como o poder computacional está crescendo continuamente, torna-se razoável pensar que um dia possamos simular o Universo inteiro, detalhe por detalhe. Isso imediatamente leva à questão… – Será que nós próprios poderíamos estar vivendo dentro de uma ‘simulaçãoSilas Beane e seus colegas propõem que, se estivermos vivendo em uma “matriz simulada” por computador (Matrix) então os raios cósmicos, partículas carregadas que chispam pelo Universo, estariam viajando ao longo das linhas, que conectam os elementos dessa matriz.  Ou seja, a rota dos raios cósmicos deve seguir uma estrutura geométrica precisa…eles não viriam de todos os ângulos possíveis… Essa seria uma ‘inconsistência’ passível de deteção.

Mas vai levar um tempo até que possamos alimentar a esperança de ser “o escolhido”… Os limites de energia dos raios cósmicos observados em nosso universo significam que, sendo este mesmo uma simulação – as “células” de sua matriz não poderiam ser menores do que 10-12 femtômetros para que a falha aparecesse. – E o problema seria então, de construir detetores de raios cósmicos suficientemente precisos, para medir – não só a energia…mas também o ângulo de chegada de cada partícula de energia. – É claro que estamos muito longe disto… – o raio de um próton, por exemplo… – mede pouco menos de 1 femtômetro.

chip-sat

Não há razão, contudo … para assumir que deuses-programadores avançados o suficiente… – não possam projetar e rodar células ainda menores… em que usem nanoestruturas, nesses biochips.  Nesse caso, haveria a possibilidade de outros meios pelos quais “simulações” indicassem algo anormal… como, por exemplo… um “teste”… para avaliar a evolução de suascriaturas virtuais“.

Em todo caso… o fato é que a questão mais geral… — sobre se existem,                                      ou não… outros níveis de realidade … além deste… — que afeta nossos                                    sentidos, vem incomodando filósofos há séculos e séculos. (texto base*****************************************************************

“Simulando um futuro quântico”                                                                                        No mundo virtual do filme Matrix, não há cidades, e nem prédios — que assim como      cães e gatos, são bitsno processamento de um programa de simulação rodando      num computador…pra lá poderoso. Láa vida não existe em uma ‘realidade padrão’            da física clássica – mas sim… se repete na “memória”…desse “supercomputador“. 

Talvez soe como disparate para alguns — mas o fato é que muito das nossas vidas atuais já acontece apenas no mundo virtual, na forma de bits: as músicas que ouvimos, as fotos que olhamos, as mensagens que trocamos não existem mais em discos, porta-retratos e papéis. Tudo se reduz a uma fileira de bits armazenada em uma “nuvem computacional” … cuja localização é incerta – e…embora não gostemos muito disso…”essencialmente volátilAssim…simular um mundo virtual do tipo Matrix não deve mais soar tão estranho quanto há alguns anos. Por exemplo, já existem até esforços no sentido de simular a Terra inteira.

O conceito não é difícil de entender… — O que é fundamental numa simulação do tipo Matrix é a criação de um programa que contenha, e seja capaz de simular todas leis da física, de forma a recriar um mundo como o que os nossos sentidos experimentam…E,   para isso seria então necessário criar interfaces que possam transferir informações de todos nossos sentidos para o computador, e vice-versa…Claro que é tudo especulativo,    em termos de realização prática; mas não de apuração matemática das possibilidades.

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Modelo do simulador quântico de processos estocásticos.

E, é isso… o que estão fazendo Mile Gu, Elisabeth Rieper…e Vlatko Vedral – da “Universidade Nacional de Cingapura”, e Karoline Wiesner (Bristol University).

Embora “simuladores computacionais”  já tenham se tornado “essenciais”… na pesquisa científica … para desenvolver novos ‘produtos/materiais’…e, mesmo para lidar com o “mercado financeiro”, sabe-se que…”computadores clássicos” não são capazes de simular a vida real.

Para isso, os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira pela qual os computadores baseados na física quântica poderão superar o desempenho dos computadores clássicos – sim, porque, se ainda não conseguimos fazer programas para computadores comuns, sem erros — nem mesmo sabemos… como ou quem irá programar os computadores quânticos.

O trabalho agora divulgado implica que uma simulação da realidade            do tipo Matrix, exigiria menos memória de um computador quântico,            do que de um computador clássico…Mas o melhor ainda está por vir:

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Os simuladores quânticos já estão se aproximando do uso prático – aqui estão ilustrados 3 tipos deles. [Riken Research]

Os resultados deixam uma enorme lacuna, mostrando a possibilidade…de uma teoria mais básica e geral… que a teoria quântica.  E a pesquisa tem ainda outro aspecto para mexer com a imaginação…essa descoberta emerge da consideração fundamental… de quanta informação é exigida…na predição  do futuro… Com um pouco de imaginação,   é possível dizer que … em uma “simulação quântica” da realidade — do tipo Matrix… parece haver espaço para algum escolhido entrar na simulação e atuar de modo mais eficiente. Mas, para isso… é preciso seguir os passos do Arquiteto…e tentar descobrir    a maneira… – como ele projetou o mundo.

“Processos estocásticos”                                                                                                            A quantidade mínima de informação necessária para simular determinado                      processo estocástico…é importante tema de estudo no campo da “teoria da                    complexidade” — sendo mais conhecido como…”complexidade estatística”.

O grupo de cientistas analisou a simulação de processos estocásticos…onde existem vários resultados possíveis para uma certa conduta, cada qual com uma probabilidade calculável. Muitos fenômenos… de movimentos do mercado de ações – até difusão de gases … podem ser modelados como processos estocásticos. Os detalhes de como simular esses processos, são a chave da questão…É sabido como calcular a quantidade de informações transferidas intrinsecamente em qualquer processo estocástico… – Teoricamente…isso define a menor quantidade de informação necessária para o simular. Entretanto, “simulações clássicas de processos estocásticos”, de fato pedem mais armazenamento do que tais cálculos indicam.

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No simulador quântico aberto, um íon interage com o sistema quântico e, ao mesmo tempo, estabelece um contato controlado com o ambiente. [Harald Ritsch]

O que o grupo agora demonstrou… é que os ‘simuladores quânticos‘, precisam armazenar bem menos informação — do que os clássicos; e mesmo os ideais. Isso porque…as simulações quânticas podem codificar…”informações probabilísticas”, numa “superposição” onde um qubit de informação, representa mais que um bit clássico… – Mas, então…veio a surpresa. Cálculos revelaram … que as simulações quânticas… ainda não são tão eficientes, quanto poderiam ser…ainda precisando armazenar mais informações…do que o processo parece exigir; sugerindo que a ‘teoria quântica’ – pode ainda não estar    tão otimizada… como comentou Vedral:

“O que é fascinante para nós é que ainda há lacunas…E isso faz                        pensar na possibilidade de uma teoria além da física quântica.”

Então…nesse caso, antes de pensar em programar um computador quântico para          criar uma Matrix própria, é bom descobrir essas leis mais profundas da natureza,          para que sejam simuladas num computador… com o senso de realidade esperado.  ****************************************************************************

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O chip de 4 qubits foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica, quando partículas e antipartículas emergem virtualmente “do nada” – do chamado vácuo quântico.[IQOQI/Harald Ritsch]

“Simulador quântico”…vira realidade

Estamos ainda muito longe de compreender totalmente… as partículas elementares — os átomos, e seus constituintes — porque estes se comportam segundo as leis da “mecânica quântica”…apresentando “comportamentos probabilísticos” muito difíceis de monitorar.  Se não dá para monitorar ao vivo, a saída é simulá-las em computador. Contudo, como as partículas não obedecem às leis da ‘física clássica’, simular seu comportamento, num ‘computador clássico’ – é tarefa impossível.    A saída então… é construir “simuladores quânticos“, para rodar em computadores quânticos, reproduzindo o comportamento de qualquer partícula subatômica já que estas… funcionam de forma semelhante.

Matéria e antimatéria surgindo do vácuo                                                              “Projetamos um novo conceito que nos permite simular num computador quântico a criação espontânea de pares elétron-pósitron a partir do vácuo”. (Christine Muschik)

Acaba de ser executada a primeira simulação de um evento quântico real, utilizando um simulador quântico. Sua construção, e uso prático, foi anunciada por Esteban Martinez,      e uma equipe de físicos da Universidade de Innsbruck/Áustria… — em um experimento inédito, e histórico. A “simulação“…usando um “processador quântico” básico, com      4 qubits mostrou como pares de partículas/antipartículas emergem do vácuo quânticoO processador é composto por 4 íons de cálcio, eletromagneticamente conectados…e, controlados por “pulsos de laser“. Desse modo, como explicou Martinez em detalhes: 

“Usamos pulsos de laser ao simular o campo eletromagnético do vácuo; assim… pudemos observar os pares criados, pela flutuação quântica de energia do campo. – Pela fluorescência do íon, sabemos se partículas e antipartículas foram criadas…Modificamos os parâmetros do sistema quântico, e então – estudamos o processo dinâmico da criação do par“.

Isto confirma grande parte das expectativas quanto aos simuladores quânticos. Muito embora computadores quânticos vão exigir muitos mais qubits – mesmo os primeiros processadores que já estão sendo construídos…serão, de fato, extremamente úteis nas pesquisas fundamentais da física. Afinal, um sistema simples com apenas 4 bits, já foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica…partículas e antipartículas fugazes emergindo virtualmente ‘do nada’, no chamado vácuo quântico.

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As partículas (elétrons) e antipartículas (pósitrons) são “sentidas” pelos 4 qubits do simulador, que denunciam sua presença por meio de variações no feixe de laser. [Imagem: Esteban A. Martinez et al.]

A demonstração também pode ser útil em simulações atômicas…para estudar questões      da física de alta energia. Enquanto milhares de físicos trabalham nas teorias de alta complexidade do Modelo Padrão, e experimentos são realizados em laboratórios caros, como o ‘LHC‘, “simulações quânticas” podem ser realizadas em laboratórios portáteis; como nos explicou o físico Peter Zoller…mestre no campo dos simuladores quânticos:

“Estas 2 abordagens se complementam perfeitamente… – Com a evolução dossimuladores quânticospoderemos ser capazes no futuro, de entender melhor os experimentos que hoje são feitos em aceleradores de partículas.  E, seu colega Rainer Blatt complementou…“Além disso, estudamos novos processos usando simulação quântica; impossíveis em um acelerador de partículas… – como o entrelaçamento de partículas…na criação do par”

A equipe diz estar convencida de que os futuros simuladores quânticos, maiores e mais poderosos serão capazes de resolver questões importantes na física de alta energia, que não podem ser resolvidas por métodos convencionais… ou, simplesmente, construindo aceleradores e colisores ainda maiores. ********* (texto base) *****(24/06/2016)***** *********************************************************************************

Simulador quântico mais rápido do mundo (23/11/2016)                                        “Uma equipe do Japão e Alemanha desenvolveu o simulador quântico mais rápido do mundo…capaz de simular a dinâmica de um grande número de átomos…interagindo,      uns com os outros…em ‘intervalos de tempo’ da ordem de um bilionésimo de segundo”.

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O “simulador quântico” fez em um bilionésimo de segundo operações que o supercomputador convencional mais rápido não conseguirá fazer… – nem mesmo com todo o tempo do mundo.[Imagem: NINS/IMS]

Grupos de partículas interagentes são chamados “sistemas fortemente correlacionados”. Compreender as propriedades desses sistemas é um dos maiores desafios atuais, já que     a dinâmica de muitos elétrons…ou outras partículas quânticas, interagindo uns com os outros governa uma variedade de importantes fenômenos físicos e químicos, incluindo       a “supercondutividade“… – “magnetismo“… – e também, “reações químicas“.

No entanto…é extremamente difícil prever as propriedades de um desses sistemas, mesmo usando os supercomputadores mais rápidos já construídos, ou projetados.           O supercomputador ‘Post-K’, por exemplo, que está sendo construído no Japão…e           deverá ficar pronto em 2020, não calculará exatamente … nem mesmo a energia, propriedade básica da matéria… — para um número de partículas superior a 30.

Um conceito alternativo… ao uso de computadores clássicos envolve um “simulador quântico” no qual as partículas como átomos ou elétrons, são montadas em um sistema, cujas propriedades são ‘controláveis‘ — e triviais… tais como um condensado de “Bose-Einstein”… ou umátomo de Rydberg“. Este sistema…é então usado para simular…’propriedades’ de um outro sistema – correlato ao que se pretende estudar… – e cujas propriedades … são desconhecidas.

Nobuyuki Takei e colegas montaram, a partir daí, um ‘simulador quântico‘ capaz de replicar a dinâmica de um sistema super-correlacionado de mais de 40 átomos em 1 bilionésimo de segundo… – algo que o…supercomputador ‘Post-K’… quando estiver pronto, não será capaz de fazer… nem mesmo… “com todo o tempo do mundo“.

A construção desse simulador foi possível usando uma nova abordagem na qual um pulso ultracurto de laser…(cada pulso dura apenas 100 bilionésimos de segundo)é usado para controlar um conjunto muito denso de átomos  —  resfriados a uma temperatura próxima do zero absoluto. – Como prova de conceito a equipe simulou o movimento em conjuntos de elétrons, alterando a força das interações entre seus átomos. Como primeira aplicação prática…eles pretendem estudar como os elétrons interagem entre si … para dar origem à supercondutividade. (texto base) p/consultaSimulador quântico permite pilotar átomos  ***********************************************************************************

Máquina gera “superposição quântica”…de “possíveis futuros” (abr/2019)        Uma equipe de pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang…Cingapura,          e da Universidade Griffith/Austrália, construiu um protótipo de dispositivo quântico          que pode gerar, numa simultânea superposição quântica…todos os futuros possíveis.

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Ao contrário das partículas clássicas, partículas quânticas podem viajar numa superposição de diferentes direções. Deste fenômeno foram projetados dispositivos para gerar uma superposição quântica de todos futuros possíveis. Crédito: NTU, Cingapura.

Ao pensarmos no futuro, somos confrontados por uma vasta gama de possibilidades,          as quais crescem exponencialmente, à medida que seguimos no tempo. Por exemplo, mesmo se tivermos apenas 2 possibilidades para escolher a cada minuto…em menos          de meia hora haverá 14 milhões de futuros possíveis. – Em menos de um dia, este nº excede o de átomos no universo. Todavia, um ‘computador quântico’ pode examinar      todos os futuros possíveis…os colocando numa “superposição quântica” – similar ao famoso vivo/morto gato de Schrödinger. — Com esse objetivo…o grupo do professor      Mile Gu da “NTU Singapore” se uniu ao grupo de Geoff Pryde (“Griffith University”).

Juntos, criaram um “processador fotônico de informação quântica”, onde                todos possíveis resultados futuros de um processo de decisão são representados            pelas localizações de fótons. Portanto, o “estado quântico” do dispositivo…era a ‘superposição‘ de potenciais futuros, estimados por uma ‘probabilidade factual’.

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Uma imagem do dispositivo usado no experimento. [Griffith’s University]

O funcionamento deste aparelho é inspirado em Richard Feynman…que — ao iniciar seus estudos da física quântica… — percebeu que, quando uma partícula viaja do ponto A ao B, ela não segue – necessariamenteum único caminho. — Em vez disso, simultaneamente, cruza todos caminhos, que possam conectar os pontos. O presente trabalho, por meio de um algoritmo quânticobusca ampliar essa perspectiva, ao modelar futuros estatísticos.

Para o pesquisador Farzad Ghafari…o dispositivo já demonstrou uma aplicação; medindo o quanto nosso viés… – em relação a uma escolha específica no presente…impacta o futuro. – E ele também explica que:  

“Nossa abordagem é sintetizar uma ‘superposição quântica‘ de todos futuros possíveis para cada viés… Ao interferirmos nessas ‘superposições’ umas com as outras podemos individualmente identificar cada possível futuro…E, como muitos algoritmos atuais de ‘inteligência artificial‘ (AI) já aprendem observando como  em      seu comportamento podem resultar em diferentes futuros … as nossas técnicas podem permitir que AIs…quanticamente aprimorados, aprendam o efeito de suas ações, com bem mais eficiência…Enquanto o protótipo atual simula simultaneamente no máximo      16 futuros, o algoritmo quântico subjacente pode – a princípio… projetar sem limites”.

Assim como poucos nos anos 60 poderiam imaginar os muitos usos de um “computador clássico”, ainda somos muito leigos, sobre o que os ‘computadores quânticos’ podem fazer. Cada nova aplicação descoberta – fornece novo estímulo… às possibilidades de seu avanço tecnológico. – É isso que torna o estudo assim tão empolgante. (texto original – abr/2019) Consulta: How Close Are Computers to Automating Mathematical Reasoning? (ago/2020)

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para O ‘ASSOMBROSO’ mundo da “Computação Quântica”

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