Conceitos e Dúvidas

printf: O que é Computação Quântica?

Michele: Computação Quântica é o que você consegue quando se reformula a informação e a computação em um mundo com tecnologias quânticas.

Resposta Original:

Quantum computing is what you get when you reformulate information and computation in a world with quantum technologies.

printf: Quais são as aplicações?

Michele: Apenas começamos a imaginá-las.
Sabemos que vai revolucionar a comunicação, computação e sensoriamento.
Seremos capazes de resolver alguns problemas computacionais que anteriormente pensávamos serem inviáveis para computar na prática. Podemos resolver alguns problemas de computação distribuída com muito menos comunicação. Podemos implementar sistemas de criptografia cuja segurança é baseada nas leis da física quântica, medir e sentir as coisas com mais precisão e eficiência, anteriormente impossível.

Resposta Original:

We have only started to imagine them.
We know it will revolutionize computing, communication and sensing.
We will be able to solve some computational problems we previously thought were infeasible to compute in practice. We can solve some distributed computation problems with much less communication. We can implement cryptography systems whose security is based on the laws of quantum physics. We can measure and sense things with a precision and efficiency previously thought to be impossible.

printf: Quais as maiores diferenças entre a Computação Quântica e a Computação Clássica?

Michele: Há duas propriedades simples que computadores quânticos podem explorar: superposição quântica e o princípio da incerteza.
Superposição quântica permite que uma cadeia de bits (quânticos) exista em todas as suas possíveis configurações ao mesmo tempo. Assim, por exemplo, três bits quânticos podem existir em estados 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 ao mesmo tempo. Agora tente enumerar as possibilidades se você tivesse apenas cem bits. Há, simplesmente, configurações demais para se escrever. Nós não sabemos como simular eficientemente um computador quântico de propósito geral em um computador normal (clássico). Assim, acreditamos que existem importantes problemas computacionais que podemos resolver com computadores quânticos que não se resolvem com os computadores clássicos.
O princípio da incerteza nos diz que, se você extrair informações de um sistema mecânico quântico, você o perturbará. A diferença entre as informações extraídas e a perturbação é quantificável e permite, por exemplo, a detecção de intrusos. Isso ainda permite uma gama de protocolos de criptografia cuja segurança é baseada nas leis da física quântica.

Resposta Original:

There are two simple properties which quantum computers can exploit: quantum superposition and the uncertainty principle.
Quantum superposition allows a string of (quantum) bits to exist in all their possible configurations at the same time. So, for example, three quantum bits can exist in the states 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 at the same time. Now try to enumerate the possibilities if you have even just one hundred bits. There are simply too many configurations to write down. We don’t know how to efficiently simulate a general purpose quantum computer on a regular “classical” computer. Thus we believe there are important computational problems we can solve with quantum computers that we cannot solve with classical computers.
The uncertainty principle tells us that if you extract information from a quantum mechanical system, you must disturb it. The trade-off between information extracted and disturbance is quantifiable, and enables, for example, eavesdropper detection. This further enables a range of cryptography protocols whose security is based on the laws of quantum physics.

printf: O que é um Computador Quântico? Como ele é?

Michele: Se eu lhe perguntasse, no início do século 20, como é um computador clássico, o que você teria dito? Você certamente não teria descrito os dispositivos que usamos hoje. Você teria falado dos dispositivos mecânicos muito grandes, depois substituídos pelos aparelhos baseados em tubos de vácuo, e mais tarde substituídos novamente pelo transistor, que têm sido consistentemente miniaturizados por mais de meio século.
Nós ainda estamos procurando pela tecnologia certa, e mesmo quando for encontrada, ela poderia muito bem ser substituída uma ou mais vezes por uma melhor.
Geralmente, prevemos algum tipo de rede de bits quânticos, provavelmente em algum tipo de pequeno chip, que controlamos e lemos com algum tipo de aparelho clássico (lasers, ímãs, bobinas, etc). Estes bits quânticos poderiam ser pequenos circuitos supercondutores, ou rotações de elétrons ou de íons presos, ou partículas de luz, etc, ou algo que não pensamos ainda.

Resposta Original:

If I asked you in the early 20th century what a classical computer looks like, what would you have said? You certainly wouldn’t have described the devices we use today. You might have talked about very large mechanical devices, later displaced by vacuum tube based devices, and later displaced again by the transistor, which have consistently been miniaturized for over half a century.
We are still looking for the right technology, and even when it’s found, it could very well be displaced one or more times with a better one.
Very generally, we envisage some sort of lattice of quantum bits, likely on some kind of small chip, which we control and read out with some sort of classical apparatus (lasers, magnets, coils, etc). These quantum bits could be small superconducting circuits, or electron spins, or trapped ions, or particles of light, etc, or something we haven’t even thought of yet.

printf:Quais as chances de um Computador Quântico se tornar comum? O que isso mudaria para o usuário normal?

Michele: Acho que as chances de se tornarem comuns um dia são muito elevadas, só não sei quanto tempo demorará para que tecnologias quânticas de qualidade suficientemente alta sejam desenvolvidas, a fim de construir computadores quânticos em larga escala.
Tal como aconteceu com os computadores clássicos, as primeiras gerações de computadores quânticos provavelmente não estarão nas mãos de usuários normais. No entanto, os problemas que eles resolverem afetará a vida de todos. Muitas pessoas terão acesso a essas ferramentas e, eventualmente, vamos tê-los em nossas casas. Então, todos terão acesso direto ao poder de computação avançada e tecnologias avançadas de comunicação, graças à informação quântica.

Resposta Original:

I think the chances are very high that they will become commonplace someday, we just don’t know how long it will take for sufficiently high quality quantum technologies to be developed in order to build a robust large-scale quantum computer.
As with classical computers, the first generations of quantum computers will likely not be in the hands of everyday users. However, the problems they solve will affect the lives of everyone. Many people will have access to these tools, and eventually we’ll have them in our homes. We will then all have direct access to the advanced computing power and advanced communication technologies enabled by quantum information.

printf: Ficamos sabendo que a Computação Quântica faria com que os computadores fossem a prova de Hackers. O que você sabe a respeito disso? Isso é verdade?

Michele: Ferramentas de segurança da informação são construídas em cima de funções criptográficas simples. Se estas funções criptográficas forem fundamentalmente quebradas (por exemplo, a forma como os computadores quânticos quebrariam a criptografia de chave pública utilizada atualmente), em seguida, as ferramentas de segurança cairiam e sistemas de hackeamento se tornariam muito fáceis.
Há muitas vulnerabilidades de segurança em nossos sistemas de computadores hoje. Sistemas mal projetados, mal implementados, práticas básicas de segurança não sendo seguidas, erro do usuário, participantes desonestos, etc.
Uma Internet Quântica funcional permitiria o uso de funções criptográficas que não podem ser quebradas, fechando assim a vulnerabilidade potencial aos hackers. Os hackers, entretanto, encontrariam outras fraquezas para explorar.

Resposta Original:

Information security tools are built on top of simple cryptographic functions. If these cryptographic functions are fundamentally broken (for example, the way quantum computers would break currently-used public-key cryptography), then the security tools fall apart and hacking systems becomes very easy.
There are many security vulnerabilities in our computer systems today. Poorly designed systems, badly implemented systems, basic security practices not being followed, user error, dishonest parties, etc.
A functioning quantum internet would enable the use of cryptographic functions that cannot be broken, thus closing that potential vulnerability to hackers. The hackers must find other weaknesses to exploit.

printf: Explique-nos mais sobre as propriedades de superposição e de emaranhamento. Quais são os ganhos que essas representam para a computação quântica?

Michele: Descrevi o princípio da superposição anteriormente.
O Emaranhamento é uma propriedade muito relacionada, onde dois sistemas físicos distintos são correlacionados de um modo que não poderiam ser simulados usando física clássica (por exemplo, uma sobreposição igual de 00 e 11).
Testes de emaranhamento podem ser utilizados para certificar a quanticidade fundamental de um sistema (uma vez que nenhum sistema clássico pode passar estes testes). Aplicações práticas incluem testar hardwares de criptografia quântica.

Resposta Original:

I described the superposition principle earlier.
Entanglement is a very related property, where two distinct physical systems are correlated in a way that cannot be simulated using classical physics (for example, an equal superposition of 00 and 11).
Tests of entanglement can be used to certify the fundamental quantumness of a system (since no classical system can pass these tests). Practical applications include testing quantum cryptography hardware.

printf: Como o campo da Computação Quântica mudou desde a última década? O que você espera para a próxima?

Michele: Houve grandes avanços na implementação de tecnologias de processamento de informação quântica. Alguns sistemas mal controlavam um qubit 10 anos atrás, e agora demonstram controle sobre diversos qubits interagindo.
Houve um grande progresso na teoria da implementação da computação quântica com dispositivos barulhentos ou com defeito, incluindo, por exemplo, correção de erro topológico. Este trabalho tem, efetivamente, elevado o limite tolerável de erros que os experimentos precisam alcançar.
Em outras palavras, a lacuna entre o que podemos fazer experimentalmente, e o que sabemos que é necessário para construir computadores quânticos, tem encolhido drasticamente.
Houve também grandes avanços na compreensão dos fundamentos da informação quântica, e desenvolvimento de novas aplicações para os computadores quânticos.
Na próxima década, seria maravilhoso ver um cross-over entre o que podemos fazer experimentalmente e o que a crescente teoria de correção de erros tolerante a falhas diz que é necessário para construir computadores quânticos em larga escala. Talvez otimista, mas é algo que pessoas brilhantes ao redor do mundo estão se esforçando para alcançar.
Além disso, até o momento, a ciência da informação quântica e da tecnologia tem se beneficiado bastante do conhecimento e da experiência em muitas áreas afins da física, matemática, ciência da computação, engenharia, etc. Espero ver, na próxima década, um feedback maior da ciência da informação quântica e tecnologia para estas muitas áreas relacionadas. Como exemplo, para criptógrafos que precisam projetar e implantar uma infraestrutura de criptografia robusta contra futuros computadores quânticos -- pesquisas em computação quântica e em criptografia quântica serão uma parte importante desse esforço.

Resposta Original:

There have been tremendous advances in the implementation of quantum information processing technologies. Some systems were barely controlling one qubit 10 years ago, and they are now showing control over several interacting qubits.
There has been great progress on the theory of implementing quantum computation with noisy or faulty devices, including, for example, topological error correction. This work has effectively raised the tolerable error threshold that experiments need to achieve.
In other words, the gap between what we can do experimentally, and what we know is needed to build quantum computers, has shrunk dramatically.
There have also been deep advances in understanding the foundations of quantum information, and developing new applications for quantum computers.
In the next decade, it would be wonderful to see a cross-over between what we can do experimentally and what the growing theory of fault-tolerant error correction says is needed in order to build large-scale quantum computer. Perhaps optimistic, but it is something brilliant people around the world are striving to achieve.
Furthermore, to date, quantum information science and technology has greatly benefited from knowledge and expertise in many related areas of physics, mathematics, computer science, engineering, etc. I hope in the next decade to see greater feedback from quantum information science and technology to these many related areas. As an example, cryptographers need to design and deploy a cryptographic infrastructure that will be robust against future quantum computers -- research in quantum computing and quantum cryptography will be an important part of this endeavor.