Olá, há pouco tempo que comecei a estudar sobre computação quântica e gostaria de compartilhar com vocês o que eu venho aprendendo, estarei citando muito material teorico e explicando os mesmos, espero que gostem da computação quântica assim como eu gostei! :)

A Computação Quântica

A computação quântica é uma área em rápido desenvolvimento da ciência da computação que se concentra em tecnologias e algoritmos que exploram as propriedades únicas dos qubits, as unidades básicas de informação em um computador quântico. Isso pode permitir que os computadores quânticos resolvam problemas que são intractáveis para os computadores clássicos.

Um dos principais benefícios da computação quântica é a velocidade e capacidade de processamento. Os qubits permitem a computação paralela em larga escala, o que pode tornar possível resolver problemas que seriam intratáveis para os computadores clássicos. Isso pode ter aplicações em áreas como criptografia de chave pública, otimização de rotas e simulação de sistemas físicos complexos.

No entanto, a computação quântica ainda enfrenta desafios em termos de estabilidade e escalabilidade. Os computadores quânticos são sensíveis a perturbações externas e perdem facilmente sua informação quântica, o que os torna difíceis de manter em estado quântico por períodos prolongados de tempo. Além disso, ainda não existem aplicações práticas em larga escala para a computação quântica.

Dificuldades enfrentadas na contrução e na manutenção de computadores quânticos

Uma das principais dificuldades na construção e manutenção de computadores quânticos é a sua sensibilidade a perturbações externas, como temperatura, vibrações e campos magnéticos. Isso pode causar decoerência quântica, ou seja, a perda da superposição e da entrelaçamento dos estados quânticos, o que impede o funcionamento correto do computador.

Outra dificuldade é a falta de dispositivos quânticos confiáveis e precisos, como qubits, portas lógicas e circuitos quânticos, que são necessários para a execução de cálculos quânticos. Além disso, a construção de computadores quânticos é extremamente complexa e exige habilidades técnicas e recursos financeiros elevados.

Para superar essas dificuldades, pesquisadores em todo o mundo estão trabalhando em várias áreas, como o desenvolvimento de dispositivos quânticos mais resistentes a perturbações externas, o aperfeiçoamento de técnicas de correção de erros quânticos e a criação de novas tecnologias de processamento quântico. Além disso, estão sendo investigadas novas aplicações para computadores quânticos, como na criptografia e na simulação de sistemas quânticos complexos.

A linguagem Q#

Q# é uma linguagem de programação desenvolvida pela Microsoft para criar algoritmos de computação quântica. Ela foi projetada para ser usada em conjunto com o software Microsoft Quantum Development Kit e é baseada em C#. A computação quântica é uma área da ciência da computação que se concentra em desenvolver tecnologias e algoritmos que aproveitam as propriedades estranhas e únicas dos qubits, que são as unidades básicas de informação em um computador quântico. Isso pode permitir que os computadores quânticos resolvam problemas que são intratáveis para os computadores clássicos.

Por que um código em Q# precisa ser executado em uma máquina quântica para não ser apenas um pseudoaleatório?

Um programa em Q# só apresenta conceitos quânticos se for executado em uma máquina quântica, e não em uma máquina convencional. Isso se deve à natureza diferente da computação quântica em relação à computação clássica.

A computação quântica é baseada no uso de qubits, que são unidades de informação quântica que podem assumir valores zero e um ao mesmo tempo, e que são sensíveis às interferências entre si. Isso permite que os qubits armazenem e processem informações de forma diferente das bits clássicos, que só podem assumir valores zero ou um em cada momento.

Por essa razão, um código em Q# só pode ser executado em uma máquina quântica, que é capaz de lidar com os qubits

O que torna o Q# diferente de outras linguagens quânticas?

Q# é uma linguagem de programação quântica desenvolvida pelo Microsoft e que faz parte do Microsoft Quantum Development Kit. O Quantum Development Kit é um conjunto de ferramentas e recursos que permitem aos desenvolvedores criar e executar programas quânticos usando a linguagem Q#.

A linguagem Q# é diferente de outras linguagens de programação quânticas, como o Qiskit e o PyQuil, porque foi criada especificamente para ser usada em conjunto com o Quantum Development Kit do Microsoft. Isso significa que a linguagem Q# foi projetada para ser fácil de usar e integrada com outras ferramentas e tecnologias do Microsoft, como o Visual Studio. Além disso, a linguagem Q# é uma linguagem de programação de alto nível, o que significa que permite que os desenvolvedores escrevam programas quânticos de maneira mais concisa e clara do que é possível com outras linguagens quânticas.

O que há em um programa em Q#?

Este é um programa básico desenvolvido em Q#:

No código abaixo, não usamos nenhuma função quântica, ele apenas exibe uma mensagem no console, irei dar um exemplo prático que usa computação quântica mais à frente.

namespace HelloQuantum {

    open Microsoft.Quantum.Canon;
    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;


    @EntryPoint()
    operation HelloQ() : Unit {
        Message("Hello quantum world!");
    }
}

Namespaces

Um arquivo de Q# normalmente começa com um namespace, que é usado para organizar a funcionalidade relacionada e torna-se importante ao usar bibliotecas de Q# em programas e ao escrever bibliotecas. O exemplo a seguir mostra um namespace:

namespace HelloQuantum {

}

Bibliotecas

Q# faz amplo uso de bibliotecas, que são pacotes que contêm funções e operações que podem ser usadas em programas quânticos. Por exemplo, a bibliotecaMicrosoft.Quantum.Chemistry ajuda a executar cálculos quânticos relacionados à química. Há várias bibliotecas padrão que incluem operações básicas. Ao chamar uma função ou operação de uma biblioteca, é preciso especificar o namespace dessa biblioteca. A diretiva open pode ser usada para tornar o código mais sucinto e fácil de ler. A documentação do Q# fornece referência completa para cada biblioteca interna.
O Q# faz uso amplo de bibliotecas. Uma biblioteca é um pacote que contém funções e operações que você pode usar em programas quânticos.

Aqui está um exemplo de uso de uma função de uma biblioteca sem a diretiva open:

namespace HelloQuantum {

    @EntryPoint()
    operation HelloQ() : Unit {
        Microsoft.Quantum.Intrinsic.Message("Hello quantum world!");
    }
}

Este é um exemplo equivalente que usa a diretiva open:

namespace HelloQuantum {

    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;

    @EntryPoint()
    operation HelloQ() : Unit {
        Message("Hello quantum world!");
    }
}

A diferença é que, no segundo exemplo, é preciso especificar apenas Message, e o compilador entende que ele pertence ao namespace Microsoft.Quantum.Intrinsic. Isso torna o código mais conciso e fácil de ler.

A documentação do Q# fornece documentação de referência completa para cada biblioteca interna. Para saber mais, confira Bibliotecas do Q#.

Operações

Operações são os blocos de construção básicos de um programa em Q#. Uma operação de Q# é uma sub-rotina quântica. Ou seja, é uma rotina que pode ser chamada e que contém operações quânticas que modificam o estado do registro do qubit.

Para definir uma operação de Q#, especifique um nome para a operação junto com as respectivas entradas e saída. Este é um exemplo básico:

operation HelloQ() : Unit {
    Message("Hello quantum world!");
}

Aqui, HelloQ é o nome da operação. Ela usa zero argumentos como entrada e retorna o tipo Unit, o que significa que a operação não retorna nenhuma informação.

As bibliotecas de Q# também fornecem operações que você pode usar em seus programas. Uma operação que você usará posteriormente é a H. Imagine a operação H como uma forma de colocar um qubit em uma superposição igualitária. Uma vez em superposição, um qubit tem uma chance de 50% de ser medido como zero ou um.

Tipos

O Q# fornece vários tipos internos com os quais você já está familiarizado, incluindo Int, Double, Bool e String, juntamente com tipos que são específicos da computação quântica. O Q # também fornece tipos que definem intervalos, matrizes e tuplas. Você pode até mesmo definir seus tipos personalizados.

Neste módulo, você trabalhará com o tipo Result. Uma Result representa o resultado de uma medida de qubit e pode ter um dos dois valores possíveis: One e Zero.

O Q# é uma linguagem de programação quântica que fornece diversos tipos internos conhecidos pelos programadores, como Int, Double, Bool e String, juntamente com tipos específicos da computação quântica. Além disso, o Q# fornece tipos que definem intervalos, matrizes e tuplas, e permite que o usuário defina tipos personalizados. Neste módulo, trabalharemos com o tipo Result, que representa o resultado de uma medida de qubit e pode assumir um dos dois valores possíveis: One e Zero. Por exemplo, a seguinte operação mede um qubit e armazena o resultado em uma variável do tipo Result:

operation MeasureQubit(qubit : Qubit) : Result {
	// Mede o qubit e retorna o resultado.
	return M(qubit);
}

Ao medir o qubit, a operação retorna um valor do tipo Result, que pode ser One ou Zero.

Alocação de qubits

Em Q#, para obter um qubit, você usa a palavra-chave use. Você pode alocar um ou vários qubits de cada vez. Cada qubit alocado com use começa no estado zero. Exemplo:

// Aloca um qubit.
use q = Qubit();

// Faça algo com nosso QuBit aqui.

RNG e o pseudoaleatório

Computadores clássicos não produzem números aleatórios, mas sim números pseudoaleatórios. Um gerador de números pseudoaleatórios gera uma sequência de números determinística com base em algum valor inicial, chamado de semente. Para se aproximar melhor de valores aleatórios, essa semente geralmente é a hora atual do relógio da CPU.

QRNG e a "segurança quântica"

namespace QuantumRNG {

    open Microsoft.Quantum.Canon;
    open Microsoft.Quantum.Intrinsic;
    open Microsoft.Quantum.Measurement;
    open Microsoft.Quantum.Math;
    open Microsoft.Quantum.Convert;

    operation GenerateRandomBit() : Result {
        // Allocate a qubit.
        use q = Qubit();
        // Put the qubit to superposition.
        H(q);
        // It now has a 50% chance of being measured 0 or 1.
        // Measure the qubit value.
        return M(q);
    }

    operation SampleRandomNumberInRange(max : Int) : Int {
        mutable output = 0; 
        repeat {
            mutable bits = []; 
            for idxBit in 1..BitSizeI(max) {
                set bits += [GenerateRandomBit()]; 
            }
            set output = ResultArrayAsInt(bits);
        } until (output <= max);
        return output;
    }

    @EntryPoint()
    operation SampleRandomNumber() : Int {
        let max = 50;
        Message($"Sampling a random number between 0 and {max}: ");
        return SampleRandomNumberInRange(max);
    }
}

Precisamos calcular o número de bits necessários para podermos expressar inteiros até max. A biblioteca Microsoft.Quantum.Math fornece a função BitSizeI para realizar essa tarefa.

A operação SampleRandomNumberInRange usa um loop repeat para gerar números aleatórios até que ele gere um igual a ou menor que max.

O loop for dentro de repeat funciona exatamente como um loop for em outras linguagens de programação.

Neste exemplo, output e bits são variáveis mutáveis. Uma variável mutável é aquela que pode ser alterada durante a computação. Você usa a diretiva set para alterar o valor de uma variável mutável.

A função ResultArrayAsInt vem da biblioteca Microsoft.Quantum.Convert. Essa função converte a cadeia de caracteres de bits em um inteiro positivo.

Embora um bit (dígito binário) possa ter um valor de zero ou um, um qubit em estado de superposição tem uma combinação dos estados de zero e um, com alguma probabilidade de ser zero ou um quando medido. O ato de medir um qubit altera o estado dele. Ou seja, quando medido, um qubit deixa de estar em superposição para ficar em um dos estados clássicos.

O que são problemas intratáveis?

Existem vários exemplos de problemas que são intractáveis para os computadores clássicos, mas que podem ser resolvidos com a computação quântica. Aqui estão alguns exemplos:

• Problemas de busca em larga escala, como encontrar um item em um banco de dados muito grande. Com a computação quântica, é possível pesquisar todos os itens em um banco de dados em apenas alguns passos, em vez de ter que verificar cada item individualmente como é feito em um computador clássico.

• Problemas de otimização, como encontrar o caminho mais curto entre dois pontos em um mapa. Com a computação quântica, é possível explorar todas as possíveis rotas ao mesmo tempo, o que permite encontrar a melhor solução de forma muito mais rápida do que seria possível em um computador clássico.

• Problemas de criptografia, como quebrar códigos secretos. Com a computação quântica, é possível testar muito mais possibilidades de senhas de forma muito mais rápida do que seria possível em um computador clássico, o que torna muito mais difícil quebrar códigos secretos.

Exemplos de algoritmos em Qsharp

• O algoritmo de Grover, que é um algoritmo de busca quântica que pode encontrar um elemento em uma lista com apenas algumas consultas quânticas, enquanto que um algoritmo clássico exigiria consultas proporcionais ao tamanho da lista.

• O algoritmo de Shor, que é um algoritmo de factorização de números que usa propriedades quânticas para resolver o problema de maneira mais eficiente do que os algoritmos clássicos.

• O algoritmo de Deutsch-Jozsa, que é um algoritmo que determina se uma função é constante ou balanceada usando operações quânticas em vez de consultas a valores de entrada.

Esses algoritmos são escritos em Q# e podem ser executados em computadores quânticos ou em simuladores quânticos usando o Quantum Development Kit do Microsoft.

Aplicações potenciais

• Uma das aplicações potenciais da computação quântica é a criptografia de chave pública, que permite a comunicação segura entre duas partes sem a necessidade de compartilhar uma chave secreta. Isso é possível graças às propriedades quânticas únicas, como a superposição e a interferência, que tornam a quebra da criptografia praticamente impossível.

• Outra aplicação potencial é a otimização de rotas, que pode ser utilizada em problemas complexos como o planejamento de viagens, distribuição de recursos e até mesmo a análise financeira. A computação quântica permite a análise de múltiplas opções ao mesmo tempo, resultando em soluções mais eficientes e precisas.

• Por fim, a computação quântica também pode ser utilizada na simulação de sistemas físicos complexos, como a dinâmica molecular ou a física quântica. Isso permite a realização de experimentos virtuais, o que pode levar a novas descobertas em áreas como a química, a física e a biologia.

Existem outras potenciais aplicações, porém são essas as principais.

Fontes:

Otimização baseada em Quantum

conceitos da computação quântica usando Q#

Como a computação quantica está ajudando a combater o cancer

OTI Lumionics

Azure Quantum Docs

Qsharp Language