Onde a Computação encontra a Física Quântica

@hannelita
Oi!
- Engenharia da computação
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- Matemática <3 <3
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- Animais
- Café
- GIFs


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O que você espera de uma palestra sobre computação quântica?

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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

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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.

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Nos tempos de graduação...


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Física
Cálculo
Algoritmos
Geometria Analítica
Eletrônica
Estatística
Física
Cálculo
Algoritmos
Geometria Analítica
Eletrônica
Estatística
Limite

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

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Computação
Quântica

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Computação
Quântica

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Computação
Quântica

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Física
Quântica

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O que vem à sua mente?

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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

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- O gato está vivo ou morto? (Gato de quem mesmo? Schro..... Alguma coisa)


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Parece que temos diversas frases feitas

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Não estão totalmente incorretas nem corretas.

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Um TL;DR do experimento da dupla fenda

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Para bolinhas de golfe atiradas contra uma parede com duas fendas

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

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Para ondas de água agitadas contra uma parede com duas fendas

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

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Para elétrons lançados contra uma parede com duas fendas
Imagem: https://www.youtube.com/watch?v=GXAYW4a3OZY
Interferência!


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Esse experimento conecta
- Função de onda
- momentum
- Interferência
- Observador
- Probabilidades
Se você observar a matéria, ela se comporta como as bolinhas de golfe

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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

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Superposição

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O "como funciona" é mais importante do que o "por que é assim?"
Ensinamentos de Richard Feynman.

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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

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E se...

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... aplicarmos esses novos padrões na tecnologia?

@hannelita
Vamos construir uma tecnologia pequena o suficiente

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

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Computação
Quântica

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

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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

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

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@hannelita
Créditos da ideia: @jokerpw
Se você não observar a matéria, ela se comporta como bem entender.
Os bits perdem seu comportamento definido

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Hora de repensar no modelo e nas estruturas

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

@hannelita
Um bit que represente a superposição de estados

@hannelita
1
0
QUBIT

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




@hannelita
QUBITS
|0>
Não é um emoji!
|1>

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

Assumem valor definido quando observados
Conseguimos carregar as informações de 0 e 1 ao mesmo tempo

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Avanços na computação paralela

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Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28
Truques: Deduzindo o valor de um QUBIT sem observa-lo diretamente

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

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

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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?

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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?

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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

@hannelita
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




@hannelita
1. y pode se comportar como x
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ




@hannelita
2. y pode inverter
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ




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

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Legenda rápida
1 == setinha verde pra baixo
0 == setinha vermelha pra cima

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3. y inverte saída se x é 1 (setinha verde p/ baixo)
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ





@hannelita
3. y inverte saída se x é 1. Se não for, não muda nada
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ





@hannelita
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





@hannelita
4. y inverte saída se x é 0. Se não for, não muda nada
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ





@hannelita
Em 3 e 4 y depende de x

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


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

@hannelita
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.

@hannelita


@hannelita
Colocar x em superposição
Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=ZoT82NDpcvQ

Medimos com uma Hadamard gate

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

@hannelita
Podemos testar os dois casos ao mesmo tempo!

@hannelita
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
se y inverte => x era 1

@hannelita
As soluções dependentes de x são entangled

@hannelita


@hannelita
Como determinar se as saídas estão entangled?


@hannelita
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
- Complexidade Computacional
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.
- B.C., pelo incentivo e feedback constantes.
- Gato de Heisenberg da Zoeira, no Facebook: https://www.facebook.com/gatodeheisenberg/
- @lafp, @romulostorel and @pedrofelipee (GIFs)

Obrigada! :)
Perguntas?
hannelita@gmail.com
@hannelita

VR Dev Summit- Onde a Computação encontra a Física Quântica
By Hanneli Tavante (hannelita)
VR Dev Summit- Onde a Computação encontra a Física Quântica
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