Computação Quântica

Os computadores quânticos podem resolver em minutos problemas que os computadores eletrônicos levariam milhões de anos! Entenda o funcionamento e a teoria dos computadores quânticos segundo a ciência da computação.

 

Computador Quântico: Ele Está Entre Nós!

Um Computador Quântico é uma máquina que executa seu processamento baseado nas propriedades quânticas da matéria, criando um novo e revolucionário modo de armazenar e tratar dados.
Algumas destas propriedades são tão fantásticas que só existem a nível microscópico, não é possível descrevê-las com exemplos práticos do mundo.
A teoria do Computador Quântico dentro da ciência da computação existia desde a época de Albert Einstein (anos 50), mas somente nos anos 80 foram feitas as primeiras tentativas de se construir algo semelhante ao magnífico computador quântico.
É possível destacar que a ciência da computação já saiu da era Eletrônica e deu os primeiros passos na era Quântica, pois atualmente já existem alguns protótipos construídos de computadores com tais propriedades.
Alguns destes protótipos já estão em funcionamento dentro de centros de pesquisa em Universidades, mas nenhum deles provou ainda ser muito prático, pois necessitam de muita energia ou mesmo de refrigeração extrema (algo em torno de 200 graus celsius abaixo de zero).

O Uso das Propriedades Quânticas pela Ciência da Computação

O mundo quântico é um mundo estranho para os leigos, porém o mesmo já vem sendo explorado com êxito pela ciência da computação.
A principal propriedade quântica que está sendo estudada, sendo esta a base do computador quântico, é a chamada Propriedade da Sobreposição.
Esta propriedade não existe no mundo macroscópico (mundo visível a olho nu pelos humanos). Tal propriedade define que um elétron pode girar para a esquerda, girar para a direita ou então girar para os dois lados simultaneamente, gerando 3 estados possíveis e diferentes.
Uma analogia ao mundo real seria: é como se um copo de água tivesse a possibilidade de estar cheio, vazio ou então cheio e vazio ao mesmo tempo!
Dentro do escopo da ciência da computação, este fato define que através das propriedades dos elétrons, podemos criar um bit de 3 estados, ao invés do bit tradicional que tem 2 estados (0 ou 1).
Este bit mais poderoso, foi denominado pelos especialistas em ciência da computação como Bit Quântico (qubit).

Comparação Entre Bit e Qubit na Ciência da Computação

Confira abaixo uma pequena comparação entre as tecnologias dos computadores eletrônicos (atuais) e os computadores quânticos (do futuro).

Capacidade de Processamento

Levando em conta o processamento dentro da ciência da computação, o computador quântico é mais eficiente pois trabalha com uma quantidade mais densa de informações ao mesmo tempo.
Alguns problemas que um computador eletrônico levaria milhares de anos para resolver, um computador quântico seria capaz de resolver em alguns minutos.
O bit quântico é mais denso, pois ao contrário do bit eletrônico tradicional que armazena 2 tipos diferentes de estados, o bit quântico é capaz de armazenar 3 tipos:

Capacidade de Memória

Levando em conta a capacidade de armazenamento de dados na ciência da computação, um qubit pode armazenar muito mais dados em muito menos espaço.
Veja como apenas alguns qubits armazenam a mesma quantidade de informações que alguns bilhões de bits:

Tabela de Equivalência entre Qubits e Bits
Qubits (Tecnologia Quântica)	Bits (Tecnologia Eletrônica)
1 qubit	2 bits
2 qubits	4 bits
3 qubits	8 bits
5 qubits	32 bits
10 qubits	1.024 bits = 1 Kilo Bit
20 qubts	1.048.576 bits = 1 Giga bit
30 qubits	1.073.741.824 bits = 1 Tera bit

Tecnologia de Construção dos Processadores

O processador, de um modo resumido, é o núcleo do computador, sendo o componente que realiza todos os cálculos principais e operações da máquina.
Confira abaixo as tecnologias básicas para se construir um processador eletrônico e um processador quântico:

• Processador Eletrônico: É o processador presente no computador pessoal, segue os conceitos da ciência da computação tradicional, trabalhando basicamente com sinais eletrônicos. É composto por 10 a 100 milhões de pequenos transistores, estes transistores são organizados de modo a formar estruturas complexas de processamento. Cada transistor é capaz de trabalhar com 1 bit por vez.
• Processador Quântico: É o processador que será usado nos computadores quânticos, não segue os conceitos clássicos da ciência da computação, trabalhando de um modo totalmente inédito. É composto por alguns milhares de microanéis supercondutores. Cada anel funciona de modo independente um do outro, sendo capaz de processar vários qubits ao mesmo tempo.

Tudo indica que os computadores quânticos um dia irão substituir os computadores atuais. Outro fato em questão será que o primeiro computador quântico comercial tem a tendência de superar o computador eletrônico mais avançado em apenas 1 geração. Há relatos porém, que atualmente a tecnologia necessária para produzir um computador quântico eficiente ainda está além do alcance humano.
O melhor computador quântico que foi construído até hoje, custou uma fortuna, só funcionou por alguns segundos (demonstração) e trabalhou com apenas 16 qubits.

História do Desenvolvimento dos Computadores Quânticos na Ciência da Computação

• Década de 50 – Primeiras teorias e especulações sobre a aplicação das leis da física quântica na construção de computadores.
• 1981 – O físico Richard Feyman, Nobel de Física de 1965, enquanto estava estudando física quântica, criou a primeira proposta para o uso das propriedades quânticas para processar programas de computador, criando a primeira idéia sobre um computador quântico. Suas idéias revolucionárias foram apresentadas em uma conferência de física no MIT, foi o início da aplicação das leis quânticas na ciência da computação.
• 1985 – O físico Israelense David Deustch, da Universidade Oxford, descreveu matematicamente o primeiro computador quântico universal (máquina de Turing Quântica). A ciência da computação tradicional é baseada na teoria da Máquina de Turing, que é o computador eletrônico universal, a computação quântica também poderia ter uma engenharia semelhante.
• 1994 – O professor de matemática aplicada Peter Shor, enquanto estava trabalhando na AT&T, criou o primeiro programa puramente quântico (não poderia ser rodado em computadores comuns, somente em quânticos). Esse programa, o Algoritmo de Shor, permitiria a um computador quântico fatorar grandes números em segundos. Para fazer estes mesmo cálculos, um computador eletrônico levaria meses!
• 1996 – O matemático Lov Grover, da Bell Labs, também desenvolve o seu programa quântico. Batizado de Speedup, este programa foi o primeiro algoritmo para pesquisa de bases de dados armazenadas em bits quânticos (qubits).
• 1999 – São desenvolvidos no MIT os primeiros protótipos de um computador quântico real.
• 2007 – A empresa Canadense D-Wave afirmou ter construído o primeiro processador quântico da história da humanidade, batizado de Orion. O Orion é um processador híbrido de 16 qubits que também poderia processar bits tradicionais. Embora tenha feito algumas demonstrações, a comunidade científica recebeu a notícia com muita desconfiança, pois a D-Wave nunca publicou em nenhuma revista ou jornal maiores detalhes sobre esta CPU. Os especialistas em física e ciência da computação afirmam, categoricamente, que só seria possível construir uma máquina assim no ano de 2030.

FONTE:Guia da Carreira - http://www.guiadacarreira.com.br/artigos/ciencia/computador-quantico-ciencia-computacao/

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Os estados físicos da matéria

Há muitas discussões sobre quantos estados da matéria existem, porém as versões mais populares atualmente são de que a matéria somente tem três estados: sólido, líquido e gasoso. Mas há também outros que, ou são intermediários ou pouco conhecidos. Por exemplo: os vapores, que nada mais são uma passagem do estado líquido para o gasoso na mesma fase em que o gás, porém quando está em estado gasoso, não há mais possibilidade de voltar diretamente ao estado líquido; já quando em forma de vapor, pode ir ao estado líquido, desde que exista as trocas de energia necessárias para tal fato. Por isto que diz comumente "vapor d´água".


Se colocarmos os estados físicos da matéria em ordem crescente, conforme a quantidade de energia que cada um possui, teremos:

Condensado de Bose-Einstein → Sólido → Líquido → Gasoso → Plasma      

O Plasma é o estado em que a maioria da matéria se encontra no universo. Neste estado há uma certa "pastosidade" da substância, que permite uma maior e melhor resposta quando recebe informações decodificadas pelos feixes de luz emitidos pelos componentes da TV. Sabe-se que qualquer substância pode existir em três estados: sólido, líquido e gasoso, cujo exemplo clássico é a água que pode ser gelo, água em estado líquido e vapor de água. Todavia há pouquíssimas substâncias que se encontram nestes estados, que se consideram indiscutíveis a difundidos, mesmo tomando o Universo no seu conjunto. É pouco provável que superem o que em química se considera como restos infinitamente pequenos. Toda a substância restante do universo subsiste no estado denominado plasma.

O Plasma emite luz sempre que entra em contato com alguma excitação elétrica e campos magnéticos. As auroras polares são um exemplo típico deste fenômeno. Também pode ser vista nas descargas atmosféricas da ionosfera.

As auroras Autral e Boreal, são plasmas naturais e ocorrem nas altas latitudes do nosso planeta. É proviniente da luminescência visível resultante da excitação de átomos e moléculas da atmosfera, quando bombardeados por partículas carregadas expelidas do sol e defletidas pelo campo geomagnético. 

O video a  seguir demonstra a ORIGEM DA AURORA BOREAL

 

 

No estado sólido considera-se que a matéria do corpo mantém a forma macroscópica e as posições relativas das suas partículas. É um estado da matéria, cujas características são ter volume e forma definidos, isto é, a matéria resiste à deformação. Dentro de um sólido, os átomos ou as moléculas estão relativamente próximos, ou "rígidos". Mas isto não evita que o sólido se deforme ou comprima. Na fase sólida da matéria, os átomos têm uma ordenação espacial fixa, mas uma vez que toda a matéria tem alguma energia cinética, até os átomos do sólido mais rígido movem-se ligeiramente, num movimento "invisível”. É particularmente estudado nas áreas da estática e da dinâmica.

No estado líquido, o corpo mantém a sua quantidade de matéria e o seu volume, ou seja, a forma e posição relativa das suas partículas é variável. Em outras palavras o estado líquido é um estado da matéria no qual a distância entre suas moléculas é suficiente para se adequar a qualquer meio (tomando sua forma), porém sem alterar o volume. É particularmente estudado nas áreas da hidrostática e da hidrodinâmica.

No estado gasoso, o corpo mantém apenas a quantidade de matéria, podendo variar amplamente a forma e o volume. É particularmente estudado nas áreas da aerostática e da aerodinâmica.

 

O condensado de bose-einstein possui características, de ambos, estado sólido e estado líquido, como supercondutividade e super-fluidez, porém, é encontrado em temperaturas extremamente baixas (próximas ao zero absoluto – 273,15ºC), o que faz com que suas moléculas entrem em colapso. É particularmente estudado na área da mecânica quantica.

O condensado fermiônico também possui características de ambos.

O Superfluido de Polaritons é um estado novo

 

 

Diagrama de fases

 

Fases ou estados da matéria  são conjuntos de configurações que objetos macroscópicos podem apresentar. O estado físico tem a relação com a velocidade do movimento das partículas de uma determinada substância. Canonicamente e segundo o meio em que foram estudados, são três os estados ou fases considerados: sólido, líquido e gasoso. Outros tipos de fases da matéria, como o condensado de bose-einstein ou o plasma são estudados em níveis mais avançados de física. As características de estado físico são diferentes em cada substância e depende da temperatura e pressão na qual ela se encontra.

 

Mudanças de fase

Como a cada uma das fases de uma substância corresponde determinado tipo de estrutura corpuscular, há vários tipos de mudanças de estruturas dos corpos quando muda a fase, ou de estado de aglomeração, da substância que são feitos. A mudança de fases ocorre conforme o diagrama de fase da substância. Mudando a pressão ou a temperatura do ambiente onde um objeto se encontra, esse objeto pode sofrer mudança de fase.

• Fusão - mudança do estado sólido para o líquido.Existem dois tipos de fusão:

Gelatinosa - derrete todo por igual; por exemplo o plástico.

Cristalina - derrete de fora para dentro; por exemplo o gelo.

• Vaporização- mudança do estado líquido para o gasoso. Existem três tipos de vaporização:

Evaporação - as moléculas da superfície do líquido tornam-se gás em qualquer temperatura.

Ebulição - o líquido está na temperatura de ebulição e fica borbulhando, recebendo calor e tornando-se gás.

Calefação - o líquido recebe uma grande quantidade de calor em período curto e se torna gás rapidamente.

• Condensação - mudança de estado gasoso para líquido (inverso da Vaporização).
• Solidificação - mudança de estado líquido para o estado sólido (inverso da Fusão).
• Sublimação -  um corpo pode ainda passar diretamente do estado sólido para o gasoso.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             
• Ressublimação - mudança direta do estado gasoso para o sólido (inverso da Sublimação).
• Ionização - mudança de estado gasoso para o estado plasma.
• Desionização - mudança de estado plasma para estado gasoso (inverso de Ionização).

 

 

 

O mundo da Nanotecnologia

Esta reportagem produzida por "Matéria de Capa" mostra as aplicações e as particularidades desta extraordinária área de pesquisa que é a nanotecnologia. Como podemos ver no vídeo a aplicação da nanotecnologia na área médica é muito promissora com possibilidades de curas só imaginadas pela ficção científica.

Assista o vídeo e comente a respeito.

Física Moderna

Segundo a Wikipédia, a enciclopédia livre:

Física Moderna é a denominação dada ao conjunto de teorias surgidas no começo do século XX, principiando com a Mecânica Quântica e a Teoria da Relatividade e as alterações no entendimento científico daí decorrente, bem como todas as teorias posteriores. De fato, destas duas teorias resultaram drásticas alterações no entendimento das noções do espaço, tempo, medida, causalidade, simultaneidade , trajetória e localidade.

Max Planck.

A mecânica quântica^{[Ref. 1][Ref. 2]}surgiu inicialmente dos trabalhos de Max Planck e de Einstein. Um dos mais importantes problemas de física não resolvidos no final do séc. XIX, era o da radiação do corpo negro. Planck resolve este problema em 1901 utilizando como hipótese ad hoc que a energia deste não tem um espectro contínuo, mas pelo contrário é discreta, ou em outras palavras quantizada. Einstein utiliza esta mesma hipótese para resolver o problema do efeito fotoeléctrico em 1905. Mas vai mais longe propondo que esta é na realidade a verdadeira natureza da luz. A essa quantidade discreta de luz se chama quantum de luz ou fóton.
Nasce assim a Mecânica Quântica que será posteriormente desenvolvida pelo trabalho de muitos outros cientistas como Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Einstein, Louis de Broglie, Max Born, Wolfgang Pauli ou Paul Dirac, citando apenas os mais importantes.
A hipótese de que a energia é quantizada permite então resolver muitos dos problemas pendentes da Física do início do séc. XX. Einstein utiliza-a para explicar o calor específico dos sólidos e Niels Bohr para explicar a estabilidade do átomo. O primeiro modelo atómico, chamado modelo de Bohr, é posteriormente melhorado por Sommerfeld e outros cientistas acima referidos dando origem à moderna teoria quântica, com uma formalização em moldes mais rigorosos. Tal desenvolvimento também se deu pelos esforços do matemático John von Neumann.
Dentre esses desenvolvimentos, a teoria quântica abandonou parcialmente a noção de trajetória e da localidade, em função do princípio da incerteza de Heisenberg. Assim tem-se a noção da trajetória, de natureza determinista, substituída pela noção de função de onda, de natureza probabilística. Essa interpretação da função de onda, como medida da potencialidade de localização de uma partícula, foi dada pela análise e correta interpretação de Max Born.

Albert Einstein.

Bohr contribui decisivamente também para esse desenvolvimento ulterior da mecânica quântica. Ele e seus seguidores (incluindo Heisenberg) ajudaram a formar a chamada Interpretação de Copenhaga. Nessa interpretação, dá-se a explicação quântica da medida. Uma medida realizada sobre um sistema quântico resulta da interação do observador - um aparelho de medida geralmente clássico - com um sistema quântico. Como a medida resulta numa certeza sobre um valor de uma grandeza (observável) ao passo que a função de onda associada representa uma função de probabilidades em termos da posição e tempo, tal conjectura implica dizer que o ato de medir acarreta um colapso da função de onda: o ato de medir destrói um possível emaranhamento quântico e literalmente cria a realidade experimentalmente mensurada^{[Nota 1][Ref. 1]}.
Também em 1905, Einstein publica a teoria da relatividade restrita, nesta a idéia clássica que se tinha da simultaniedade foi abandonada, em decorrência da finitude da velocidade de transmissão das interações electromagnéticas, que resulta da teoria clássica do electromagnetismo de Maxwell.^{[Ref. 3][Ref. 4][Ref. 5][Ref. 6]}A simultaniedade passa a depender do referencial que se está adotando para se analisar uma dada situação física. É assim, a invariância da velocidade da luz (que corresponde precisamente à velocidade de transmissão das interações) implica que as noções de espaço e tempo se mesclam em um novo conceito, o espaço-tempo. Para a teoria da relatividade restrita contribuíram decisivamente também Henri Poincaré, Hendrik Lorentz e Hermann Minkowski. Assim se encerra de modo consistente a teoria da electrodinâmica clássica. Posteriormente, em 1915, Einstein leva mais longe os conceitos da teoria da relatividade ao generalizar o conceito de finitude da velocidade de transmissão das interações à interação gravitacional. Do desenvolvimento desta ideia resulta a moderna teoria da gravitação, conhecida por teoria da relatividade geral.
É Dirac quem posteriormente formaliza a teoria da Electrodinâmica Quântica que une de modo consistente a teoria quântica e a electrodinâmica clássica, baseando-se em trabalho anterior de Oskar Klein, Walter Gordon e Vladimir Fock. As tentativas de lhes juntar também a teoria da relatividade geral foram até hoje infrutíferas, sendo este um dos maiores problemas em aberto da física moderna.

Origem: Wikipédia

A Física Moderna tornou-se uma das áreas mais promissoras da Física contemporânea, possibilitando avanços tecnológicos inimagináveis pelos seus criadores.

                                                                                                            Postado por Adeilson Nascimento