Onde a Computação encontra a Física Quântica

Oi!

  • Engenharia da computação
  • Programação
  • Eletrônica
  • Matemática <3 <3
  • Física
  • Lego
  • Meetups
  • Animais
  • Café
  • GIFs

O que você espera de uma palestra sobre computação quântica?

Agenda

  • Por que falar sobre temas que estão no limiar do conhecimento?
  • Como a computação e a física quântica se encontraram?
  • Tópicos básicos - conceitos fundamentais explicados de forma simplificada
  • Outros tópicos conectados menos óbvios
  • Referências

Aviso

Não sou pesquisadora. Sou apenas curiosa pelo tema.

Reduzir e simplificar muitas etapas em uma hora!

Não teremos conceitos muito avançados.

"If you think you understand quantum mechanics then you don't understand quantum mechanics."

FEYNMAN, R.

Nos tempos de graduação...

Física

Cálculo

Algoritmos

Geometria Analítica

Eletrônica

Estatística

Física

Cálculo

Algoritmos

Geometria Analítica

Eletrônica

Estatística

Limite

Às vezes não é claro ver onde, como e quando as áreas se conectam

Computação

Quântica

Computação

Quântica

Computação

Quântica

Física

Quântica

O que vem a sua mente?

Possíveis pensamentos:

  • É onda ou partícula?
  • Fótons
  • Einstein
  • Incerteza de posição ou velocidade / Heisenberg
  • Tudo é estatística
  • É difícil, não dá pra entender
  • Recente
  • Contas difíceis
  • DP
  • Newton estava errado
  • O gato está vivo ou morto? (Gato de quem mesmo? Schro..... Alguma coisa)

Parece que temos diversas frases feitas

Não estão totalmente incorretas nem corretas.

Um TL;DR do experimento da dupla fenda

Para bolinhas de golfe atiradas contra uma parede com duas fendas

Imagem: https://www.youtube.com/watch?v=GXAYW4a3OZY

Para ondas de água agitadas contra uma parede com duas fendas

Imagem: https://www.youtube.com/watch?v=GXAYW4a3OZY

Interferência

Para elétrons lançados contra uma parede com duas fendas

Imagem: https://www.youtube.com/watch?v=GXAYW4a3OZY

Interferência!

Esse experimento conecta

  • Função de onda
  • momentum
  • Interferência
  • Observador
  • Probabilidades

Se você observar a matéria, ela se comporta como as bolinhas de golfe

Se você não observar a matéria, ela se comporta como bem entender.

"Aquilo que não é proibido é compulsório"

GILMORE, R. (1995). Alice in Quantumland

Superposição

O "como funciona" é mais importante do que o "por que é assim?"

Ensinamentos de Richard Feynman.

A partir daí:

  • Traçar padrões de comportamento para o mundo subatômico
  • Discernir o mundo macroscópico do subatômico
  • Propor teorias para explicar o funcionamento de ambos 

E se...

... aplicarmos esses novos padrões na tecnologia?

Vamos construir uma tecnologia pequena o suficiente

... para perder o efeito que conhecemos do mundo macroscópico.

Computação

Quântica

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

Sobre chips e portas lógicas

  • AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR, NOT
  • Utilizamos 0s e 1s - bits
  • Dois estados bem definidos
  • Lógica Sentencial | Álgebra Booleana

1

1

1

Transistores com menos de 10nm já começam a dar problema para a física clássica

Se você não observar a matéria, ela se comporta como bem entender.

Os bits perdem seu comportamento definido

Hora de repensar no modelo e nas estruturas

Precisamos de uma representação de bit que possa ser 0 e 1 ao mesmo tempo

Um bit que represente a superposição de estados

1

0

QUBIT

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

QUBITS

|0>

Não é um emoji!

|1>

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

Assumem valor definido quando observados

Conseguimos carregar as informações de 0 e 1 ao mesmo tempo

Avanços na computação paralela

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

Truques: Deduzindo o valor de um QUBIT sem observa-lo diretamente

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

Entanglement

Observa um elemento e consegue deduzir outro devido a propriedades de grupo

Legal.

Agenda

  • Por que falar sobre temas que estão no limiar do conhecimento?
  • Como a computação e a física quântica se encontraram?
  • Tópicos básicos - conceitos fundamentais explicados de forma simplificada
  • Outros tópicos conectados menos óbvios
  • Referências

Perguntas

  • QUBITS - Explique melhor! 
  • Exemplo de algoritmo?
  • É um substituo para um computador clássico?
  • É sempre mais eficaz?
  • Como construir um computador quântico?
  • Onde aplicar?

Perguntas

  • QUBITS - Explique melhor! 
  • Exemplo de algoritmo?
  • É um substituo para um computador clássico?
  • É sempre mais eficaz?
  • Como construir um computador quântico?
  • Onde aplicar?

Ilustrando os estados dos QUBITS com números

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4

Posso ter qualquer estado, lembra?

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Imagine uma porta lógica de QUBITS

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Imagine uma porta lógica de QUBITS

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Imagine uma porta lógica de QUBITS

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

x nunca é afetado

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

1. y pode se comportar como x

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

2. y pode inverter

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Nesses dois primeiros casos y não depende de x. E se dependesse?

Legenda rápida

1 == setinha verde pra baixo

0 == setinha vermelha pra cima

3. y inverte saída se x é 1 (setinha verde p/ baixo)

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

3. y inverte saída se x é 1. Se não for, não muda nada

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

4. y inverte saída se x é 0 (setinha vermelha pra cima). Se não for, não muda nada

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

4. y inverte saída se x é 0. Se não for, não muda nada

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Em 3 e 4 y depende de x

Resumo

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Dada uma saída, podemos dizer se y é do tipo dependente ou não de x?

Resumo

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

Precisaríamos de duas operações para descobrir, uma para 0s e outra para 1s.

Colocar x em superposição

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Podemos testar os dois casos ao mesmo tempo! 

Resumo

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

0|1

0

0|1

0

0|1

0

0|1

0

0

0

0|1

0|1

0

1

0|1

0|1

Entangled

Unidos

Possuem mesmo valor

Possuem valores opostos

As soluções dependentes de x são entangled

Como determinar se as saídas estão entangled?

Solução x e y em superposição

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Legenda

Setinha pra direita == 0 | 1

Setinha pra esquerda == 1 | 0

Resumo

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

0|1

1|0

0|1

1|0

0|1

1|0

0|1

1|0

0|1

0|1

1|0

1|0

1|0

1|0

1|0

1|0

"MASOQ????"

Basicamente observamos a mudança em x para determinar se y depende ou não de x.

Algoritmo de Deutsch

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

0|1

1|0

0|1

1|0

0|1

1|0

0|1

1|0

0|1

0|1

1|0

1|0

1|0

1|0

1|0

1|0

Basicamente invertemos o foco da informação que queremos analisar.

Conheço o output; quero informações do que formulou aquele resultado

Computador clássico

C

A

C

D

Computador quântico

A

B

D

B

Nem sempre é a melhor ferramenta. Depende do que você quer analisar

Perguntas

  • QUBITS - Explique melhor! 
  • Exemplo de algoritmo?
  • É um substituo para um computador clássico?
  • É sempre mais eficaz?
  • Como construir um computador quântico?
  • Onde aplicar?

Exemplo: fatoração de números primos muito extensos na criptografia

Você conhece o número primo da saída e quer informações do que resultou naquele número

Computadores quânticos são eficazes para quebrar MD5!

Algoritmo de Shor

Calma!

  • QUBITS - Explique melhor! 
  • Exemplo de algoritmo?
  • É um substituo para um computador clássico?
  • É sempre mais eficaz?
  • Como construir um computador quântico?
  • Onde aplicar?

Como construir um computador quântico?

Ainda não é fabricado em escala comercial. Experimental.

Como construir um computador quântico? Técnicas:

1. Aprisionar átomos, manipulá-los com laser e obter portas lógicas quânticas.

2. Supercondutores

https://www.youtube.com/watch?v=1PcseLsYZ9Y

Legal! Quero estudar isso!

Muita matemática!

  • Teoria dos conjuntos
  • Continuidade
  • Estatística
  • Geometria Analítica
  • Cálculo tensorial

Muita Física!

  • Ondulatória
  • Mecânica clássica
  • Física quântica
  • Interações nucleares

Muita Teoria da Computação!

  • Máquinas de Turing
  • Análise de algoritmos
  • P, NP e outros grupos
  • Condições de contorno
  • Aleatoriedade e não uniformidade

Física

Cálculo

Algoritmos

Geometria Analítica

Eletrônica

Estatística

Limite

Sejamos criativos|as :)

Agenda

  • Por que falar sobre temas que estão no limiar do conhecimento?
  • Como a computação e a física quântica se encontraram?
  • Tópicos básicos - conceitos fundamentais explicados de forma simplificada
  • Outros tópicos conectados menos óbvios
  • Referências

Referências - Livros

  • AARSON, S. (2013) - "Quantum Computing since Democritus"
  • MERMIN, N. (2007) - "Quantum Computer Science: An Introduction"
  • OLIVEIRA, I. (2009) - "A revolução dos Q-Bits"
  • Referência com mais referências: https://www.quora.com/Is-there-any-book-that-is-a-good-entry-point-to-the-field-of-Quantum-Computing e https://www.quora.com/What-are-some-good-books-for-learning-quantum-computation e https://www.goodreads.com/shelf/show/quantum-computing

Agradecimentos

  • Prof. Maurílio e prof. Justino, por me incentivarem a continuar curiosa.
  • H. S. e K. Weyl, matemáticos sempre dispostos a ajudar.
  • Gato de Heisenberg da Zoeira, no Facebook: https://www.facebook.com/gatodeheisenberg/
  • @lafp, @romulostorel and @pedrofelipee (GIFs)

Obrigada! :)

Perguntas?

 

hannelita@gmail.com

@hannelita

Onde a Computação encontra a Física Quântica

By Hanneli Tavante (hannelita)

Onde a Computação encontra a Física Quântica

  • 1,641
Loading comments...

More from Hanneli Tavante (hannelita)