Introdução à Computação Quântica

Documentos relacionados
Introdução à Computação Quântica

Mini-curso de Spintrônica

I TRODUÇÃO À COMPUTAÇÃO QUÂ TICA

Introdução a Circuitos Quânticos

Introdução à Computação Quântica

Implementando Algoritmo de Deutsch

Introdução à Computação Quântica

Daniel Barbosa Stein Douglas Alves Reis Marcio R. Santos Marcos Takechi Hirata Nelson M. Tsuboi Nobuyuki Tateoka Peter Ngugi Nyumu Ricardo de Cillo

Spintrônica Uma palestra introdutória. Tatiana G. Rappoport

Física Moderna II Aula 01. Marcelo G Munhoz Pelletron, sala 245, ramal 6940

Física Moderna II Aula 01. Marcelo G Munhoz Edifício HEPIC, sala 202, ramal

2, ao medirmos um observável deste estado que possui autovetores 0 e 1, obtemos o resultado 0 com probabilidade α 2, e 1 com probabilidade β 2.

Propriedades elétricas em Materiais

Introdução à computação quântica

A Experiência de Stern-Gerlach e o Spin do Elétron

Operadores e Função de Onda para Muitos Elétrons. Introdução à Física Atômica e Molecular UEG Prof. Renato Medeiros

Aula 01. Murilo V. G. da Silva DINF/UFPR

Computação quântica com íons aprisionados

ν L : frequência de Larmor.

Aula -12. Condução elétrica em sólidos

SIMULAÇÃO DA TRANSFORMADA QUÂNTICA DE FOURIER COM O SIMULADOR ZENO

2.2.1 Efeito Hall e Magnetoresistência Condutividade Elétrica AC Corrente Elétrica em um Campo Magnético

Introdução a Circuitos Quânticos

AULA 01 TEORIA ATÔMICA COMPLETA

AULA 01 TEORIA ATÔMICA COMPLETA

Introdução ao Método de Hartree-Fock

UFCG IQuanta DSC. Cheyenne R. G. Isidro Bernardo Lula Júnior

Aplicações dos Postulados da Mecânica Quântica Para Simples Casos: Sistema de Spin 1/2 e de Dois Níveis

Algoritmos Quânticos

Física Moderna II Supercondutividade

Aula 17 Tudo sobre os Átomos

3) Quais são os valores possíveis do número quântico magnético de spin? a) -1,- ½,0, ½,1 b) 0 e + ½ c) 1, 0 e +1 d) 0, 1, 2, 3,...

Mecânica Quântica. Ênfase nos Primeiros Postulados (continuação)

Operadores e Função de Onda para Muitos Elétrons. Introdução à Física Atômica e Molecular UEG Prof. Renato Medeiros

Física Quântica. Aula 11: Spin do Elétron, Princípio de Exclusão de Pauli. Pieter Westera

Aula 3 ORBITAIS ATÔMICOS E DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA. Eliana Midori Sussuchi Danilo Oliveira Santos

Instituto de Física de São Carlos - USP Lista 1 1-Espectroscopia atómica : revisão não 2 - Regiões espectrais

N P P N. Ciências de Materiais I Prof. Nilson C. Cruz. Aula 2 Ligação Química. Átomos. Diferença entre materiais = Diferença entre arranjos atômicos e

Raios atômicos Física Moderna 2 Aula 6

A computação do futuro

A Equação de Onda de Schröedinger. O Princípio da Incerteza de Heisenberg. λ =

Explorando as sutilezas do mundo quântico: De Einstein e Schrödinger à informação quântica

QFL 2144 Parte 3A: Ressonância magnética nuclear

Uma pequena introdução à álgebra para mecânica

Introdução à Informação Quântica

Schrödinger propôs uma equação que contém os termos onda e partícula. A resolução da equação leva às funções de onda. Af função de onda fornece o

Mecânica Quântica. Spin 1/2 e a formulação da M. Q. Parte II. A C Tort 1. Instituto Física Universidade Federal do Rio de Janeiro

Tubos de Crookes e a descoberta do elétron

Física dos Materiais

ESPECTROSCOPIA DE RESSONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

PROPRIEDADES E COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA Aula 1

Cap. 39 Mais ondas de matéria

Motivação 10/29/2018. Física: compreender as propriedades dos átomos (últimos ~ 100 anos) Experimentos mais precisos :

Fundamentos de Química Quântica

BACHARELADO EM FÍSICA (INTEGRAL) CURRÍCULO 2008/1 PRIMEIRO PERÍODO

8. Spin do elétron e átomos complexos

Universidade Federal do Tocantins

INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA GERAL (Unidade 1)

Átomos e Moléculas. Ligações moleculares. Energia do ion. A molécula de hidrogênio H 2

Tarefa 23 Professor Gustavo

Circuitos Quânticos: uma introdução

Física IV Poli Engenharia Elétrica: 20ª Aula (04/11/2014)

O Método de Hartree-Fock

Quantização. Quantização da energia (Planck, 1900) hc h. Efeito fotoelétrico (Einstein, 1905) Espectros atômicos (linhas discretas) v 2

CONTEÚDO PROGRAMÁTICO EMENTA

ENGENHARIA E TECNOLOGIA CONSTRUINDO O FUTURO PROF. DR. BRUNO HONDA

Princípios da Mecânica ondulatória. Funções de onda atômicas são somadas para obter funções de onda moleculares

ESTRUTURA ATÔMICA. Modelos Atômicos

Aula 01 Estrutura eletrônica

EUF. Exame Unificado

Uma abordagem pedagógica no ensino da computação quântica com um processador quântico de 5-qbits

NOTAS DE AULAS DE ESTRUTURA DA MATÉRIA

Ligações Químicas - I

Número quântico secundário, azimutal ou de momento angular (l)

Eletricidade Aplicada à Informática

8/Maio/2015 Aula 19. Aplicações: - nanotecnologias; - microscópio por efeito de túnel. Equação de Schrödinger a 3 dimensões. 6/Maio/2015 Aula 18

Capítulo 40: Tudo sobre os Átomos

Física Moderna II - FNC376

QUÍMICA A Ciência Central 9ª Edição Capítulo 6 Estrutura eletrônica dos átomos David P. White

Estrutura atômica. Modelo quântico do átomo

ESTRUTURA ATÔMICA. Prof. Dr. Cristiano Torres Miranda Disciplina: Química Geral I QM81B Turmas Q13 e Q14

A perda de magnetização (sinal) pela relaxação transversal é predominante: COM relaxação: sinal observado pela bobina

Fundamentos de Química Quântica

ESTRUTURA ELETRÔNICA DOS ÁTOMOS

Exame Unificado EUF. 2 Semestre/2010 Parte 1 27/04/2010

TEORIAS ATÔMICAS. Menor partícula possível de um elemento (Grécia antiga) John Dalton (1807)

Nanotecnologia: O Futuro. Acadêmicos: André K. Soares Daniel A. F. Collier

Aula 3 Estrutura Atômica cont

Computação Quântica. Paulo Mateus. Centro de Lógica e Computação Instituto Superior Técnico NEEI-IST

Fundamentos de Física Capítulo 39 Mais Ondas de Matéria Questões Múltipla escolha cap. 39 Fundamentos de Física Halliday Resnick Walker 1) Qual das

NÚMEROS QUÂNTICOS. As teorias da MECÂNICA QUÂNTICA (Planck, De Broglie, Schrödinger e Heisenberg e outros), auxiliam na identificação dos elétrons.

Física Moderna II Aula 08. Marcelo G Munhoz Edifício HEPIC, sala 202, ramal

Aulas 1 e 2. Atomística

Análise de alimentos II Introdução aos Métodos Espectrométricos

Dualidade onda-partícula

Introdução à Física Atômica e Molecular

Aula 03.! Resistência Pearson Prentice Hall. Todos os direitos reservados.

Simulação e Síntese Automática de Circuitos de Autômatos Celulares com Pontos Quânticos Através de Técnicas Inteligentes

NOTAS DE AULAS DE ESTRUTURA DA MATÉRIA

Transcrição:

Introdução à Computação Quântica Aula 3 Computação quântica: portas lógicas e circuitos Renato de Oliveira Violin José Hiroki Saito Departamento de Computação - UFSCar Conteúdo Portas lógicas e circuitos. Portas quânticas de um qubit. Portas quânticas de múltiplos qubits. Medidas. Propostas. 1

Circuitos (clássicos ou quânticos) são compostos por um conjunto de portas lógicas, isto é, dispositivos mais simples que manipulam a informação, convertendo a informação de uma forma para a outra. Em computação quântica as portas lógicas passam a se chamar portas quânticas e são operadores unitários realizando transformações unitárias em algum sistema quântico de um ou mais qubits. Portas lógicas e circuitos As portas quânticas são divididas em três segmentos: Portas quânticas de um qubit. Portas quânticas de múltiplos qubits. Portas quânticas universais. Uma maneira conveniente de representar as portas quânticas é sob a forma matricial. 2

Circuito quântico utilizando uma porta quântica U-controlada Portas lógicas e circuitos Portas quânticas de um qubit são descritas por matrizes unitárias 2x2. A restrição de que ela deve ser unitária garante que a computação possa ser reversível. Lembre-se que o Postulado 1 diz que um vetor de estado (qubit) deve ser unitário, e portanto, após a aplicação de uma porta quântica qualquer, este vetor deve continuar sendo unitário. A seguir estão as principais portas quânticas de um qubit denotadas pela representação gráfica e pela matriz correspondente. 3

Pauli I Esta porta também é conhecida como porta identidade e não realiza operação nenhuma. 1 0 I= 0 1 Aplicação: 0 I 0 1 I 1 α0 + β1 I α0 + β1 Portas lógicas e circuitos Pauli X (Not) Esta porta também é conhecida como porta NOT (não). 0 1 X= 1 0 Aplicação: 0 X 1 1 X 0 α0 + β1 X β 0 + α1 4

Pauli Y 0 i Y= i 0 Aplicação: 0 Y i1 1 Y i0 α0 + β1 Y βi0 + αi1 Portas lógicas e circuitos Pauli Z 1 0 Z= 0 1 Aplicação: 0 Z 0 1 Z 1 α0 + β1 Z α0 β1 5

Phase (S) 1 0 S= 0 i Aplicação: 0 S 0 1 S i1 α0 + β1 S α0 + βi1 Portas lógicas e circuitos (T) 1 0 T= i 4 0 e π Aplicação: 0 T 0 π i 4 1 T e 1 π i 4 0 1 0 1 α + β T α + e β 6

Hadarmard (H) Ela é muito utilizada para preparar a entrada de um circuito quântico, colocando o qubit em superposição com mesma probabilidade para os dois estados. 1 = 1 1 H 2 1 1 Aplicação: 1 0 H (0 + 1) 2 1 1 H (0 1) 2 + 0 1 0 1 α0 + β1 H + 2 2 Portas lógicas e circuitos CNOT Realiza a operação NOT controlada, isto é, possui um qubit para controlar a ação da porta. 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 7

Aplicação (CNOT): 00 CNOT 00 01 CNOT 01 10 CNOT 11 11 CNOT 10 Considerando um estado em superposição ( α0 + β1)1 CNOT α01 + β10 0( α0 + β1) CNOT α00 + β01 1( α0 + β1) CNOT α11 + β10 Portas lógicas e circuitos Porta arbitrária U É uma porta genérica muitas vezes chamada como black box. 8

Porta Swap Esta porta simplesmente inverte o estado dos qubits de entrada. Medidas Medida é a forma de ler a probabilidade associada ao qubit. Desempenham um papel fundamental na computação quântica, pois por meio das medidas conseguimos obter os resultados dos algoritmos. Por exemplo, considerando o qubit ψ = α0 + β1 onde a dimensão do espaço de Hilbert é 2, os projetores correspondem aos possíveis resultados da medida 0 e 1 : P = 0 0 0 P = 1 1 1 9

Medidas Considere um sistema de dimensão n. Considere, também, um conjunto de projetores ortogonais { P 1, P 2, P 3,..., P n }. O sistema está preparado no estado ψ. A probabilidade de obter o i-ésimo resultado da medida é: Pr() i= ψp ψ i Medidas O resultado também pode ser obtido pela regra de Born: Pr() i= u ψ i 2 Após a medida o sistema é descrito por: ψ' = P i ψ ψp ψ i 10

Propostas O maior problema da computação quântica está na implementação física de um computador quântico. Até o momento a maior parte dos resultados obtidos na computação quântica (i. e. os algoritmos) foram teóricos ou simulados em computadores clássicos. Propostas O pesquisador DiVincenzo (2001) elencou as seguintes propriedades que um sistema quântico deve satisfazer para que possa haver computação quântica: Tem que ser escalável. Deve ter longos tempos de coerência. Possuir qubits que possam ser inicializados em 0 Ter um conjunto de portas quânticas universais. Um procedimento eficiente para medir o estado dos qubits. 11

Propostas Ressonância magnética nuclear É um instrumento de medidas utilizado em Física, Química e outras áreas. É o instrumento mais utilizado para executar algoritmos quânticos, onde podemos destacar o experimento feito em 2001 utilizando 7 qubits para executar o algoritmo de Shor e fatorar o número 15. Basicamente é composto por um tubo de ensaio contendo as moléculas. Este tubo de ensaio é colocado no espectrômetro onde são emitidos campos de radio freqüência para controlar o estado dos spins dos núcleos das moléculas. Propostas Armadilha de íons Representa uma técnica mais promissora do que a RMN. Os dois estados do qubit são representados pelo estado fundamental e o estado excitado do íon. Os qubits são manipulados por pulsos de laser. Armadilhas com a largura de um fio de cabelo têm capacidade de acomodar uma quantidade de íons suficiente para realizar cálculos úteis. O grande desafio é manipular milhões de átomos para construir o computador quântico. 12

Propostas Supercondutividade São usados certos tipos de metais que, quando resfriados a uma temperatura de aproximadamente 0 graus Kelvin (-273 C), não representam resistência elétrica. Nessa temperatura os circuitos começam a comportarse quanticamente. São estruturas grandes (alguns micrômetros) comparados com estruturas atômicas. Por ser uma estrutura grande fica mais fácil construí-las e manipulá-las. Os supercondutores também criam uma proteção contra os ruídos externos que causam a descoerência. Propostas Processador Orion de 16 qubits criado pela D-Wave usando supercondutividade. Cada array verde representa um qubit. 13

Propostas Pontos quânticos É uma estrutura de semicondutor artificialmente fabricada, com tamanho de aproximadamente 10 5 cm e que contem aproximadamente 10 3 ~ 10 9 átomos. Há duas formas de usar os elétrons aprisionados no semicondutor: Propostas Ponto quântico duplo (Double Quantum Dot): usa dois pontos quânticos adjacentes. Se o elétron residente em um ponto quântico ele representa um estado. Se ele reside no outro ponto ele representa outro estado. Carga do ponto quântico (Charge Quantum Dot): o elétron ocupa o mesmo ponto quântico e os dois estados do spin e representam os estados. 14