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Interferência quântica no serviço da tecnologia da informação!

Cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, em colaboração com a Universidade de Oxford e NIST, mostraram que a interferência quântica permite o processamento de grandes conjuntos de dados de forma mais rápida e precisa do que com os métodos padrão.

Seus estudos podem impulsionar aplicações de tecnologias quânticas em inteligência artificial, robótica e diagnósticos médicos, por exemplo. Os resultados deste trabalho foram publicados na Science Advances.

A ciência, a medicina, a engenharia e a tecnologia da informação contemporâneas exigem processamento eficiente de dados - imagens estáticas, sinais sonoros e de rádio, bem como informações provenientes de diferentes sensores e câmeras.

Desde a década de 1970, isso foi alcançado por meio da Transformada rápida de Fourier (em inglês fast Fourier transform, ou FFT). A FFT possibilita compactar e transmitir dados com eficiência, armazenar imagens, transmitir TV digital e falar pelo telefone celular. Sem esse algoritmo, sistemas de imagens médicas baseados em ressonância magnética ou ultra-som não teriam sido desenvolvidos. No entanto, ainda é muito lento para muitos aplicativos mais exigentes.

Para atingir esse objetivo, os cientistas vêm tentando há anos aproveitar a mecânica quântica. Isso resultou no desenvolvimento de uma contrapartida quântica da FFT, a Quantum Fourier Transform (QFT), que pode ser realizada com um computador quântico. Como o computador quântico processa simultaneamente todos os valores possíveis (as chamadas "superposições") dos dados de entrada, o número de operações diminui consideravelmente.

Apesar do rápido desenvolvimento da computação quântica, há uma relativa estagnação no campo dos algoritmos quânticos. Agora os cientistas mostraram que esse resultado pode ser melhorado e de uma maneira bastante surpreendente.

Transformada de Kravchuk.

A matemática descreve muitas transformações. Uma delas é uma transformada de Kravchuk. Ela é muito semelhante à FFT, pois permite o processamento de dados discretos (por exemplo, digitais), mas usa as funções de Kravchuk para decompor a seqüência de entrada no espectro.

No final da década de 1990, a transformada de Kravchuk foi "redescoberta" na ciência da computação. Ela acabou sendo excelente para processamento de imagem e som. Isso permitiu que os cientistas desenvolvessem algoritmos novos e muito mais precisos para o reconhecimento de textos impressos e manuscritos (incluindo até mesmo o idioma chinês), gestos, linguagem de sinais, pessoas e rostos. Há uma dúzia de anos, foi demonstrado que essa transformação é ideal para processar dados de baixa qualidade, ruidosos e distorcidos e, portanto, poderia ser usado para visão computacional em robótica e veículos autônomos. Não há algoritmo rápido para calcular essa transformação, mas acontece que a mecânica quântica permite contornar essa limitação.

"Santo Graal" da ciência da computação.

Os cientistas da Universidade de Varsóvia - Dr. Magdalena Stobinska e o Dr. Adam Buraczewski, cientistas da Universidade de Oxford, e NIST, mostraram que a mais simples porta quântica, que interfere entre dois estados quânticos, basicamente computa a transformada de Kravchuk.

Tal porta poderia ser um dispositivo óptico bem conhecido - um divisor de feixes, que divide fótons entre duas saídas. Quando dois estados quântico da luz entram em suas portas de entrada de dois lados, eles interferem. Por exemplo, dois fótons idênticos, que entram simultaneamente neste dispositivo, agrupam-se em pares e saem juntos pela mesma porta de saída. Esse é o conhecido efeito de Hong-Ou-Mandel, que também pode ser estendido a estados compostos de muitas partículas.

Ao interferir com "pacotes" consistindo em muitos fótons indistinguíveis (a indistinguibilidade é muito importante, como sua ausência destrói o efeito quântico), que codifica a informação, obtém-se de um computador quântico especializado que calcula a transformada de Kravchuk.

O experimento foi realizado em um laboratório de óptica quântica no Departamento de Física da Universidade de Oxford, onde uma configuração especial foi construída para produzir estados quânticos multifotônicos, os chamados estados Fock. Este laboratório é equipado com o TES (Transmission Edge Sensors), desenvolvido pela NIST, que opera em temperaturas quase absolutas. Esses detectores possuem uma característica única: eles podem realmente ''contar fótons''. Isso permite ler com precisão o estado quântico, deixando o divisor de feixe e, assim, o resultado do cálculo.

Mais importante ainda, o tal cálculo quântico da transformada de Kravchuk sempre leva o mesmo tempo, independentemente do tamanho do conjunto de dados de entrada. É o "Santo Graal" da ciência da computação: um algoritmo que consiste em apenas uma operação, implementada com uma única porta.

Mas claro, para obter o resultado na prática, é necessário realizar o experimento várias centenas de vezes para obter as estatísticas. É assim que todo computador quântico funciona. No entanto, não demora muito, porque o laser produz dezenas de milhões de "pacotes" multifotônicos por segundo.

O resultado obtido por cientistas da Polônia, do Reino Unido e dos Estados Unidos encontrará aplicações no desenvolvimento de novas tecnologias quânticas e algoritmos quânticos. Sua gama de usos vai além da fotônica quântica, já que uma interferência quântica similar pode ser observada em muitos sistemas quânticos diferentes.

A Universidade de Varsóvia solicitou uma patente internacional para essa inovação. Os cientistas esperam que a transformada de Kravchuk logo seja usada na computação quântica, onde se tornará um componente de novos algoritmos, especialmente em computadores híbridos - o clássico e o quântico, que mesclam circuitos quânticos com layouts digitais "normais".

Mais informações: "Quantum interference enables constant-time quantum information processing," Science Advances (2019): https://bit.ly/2XUUO7l

Fonte: https://bit.ly/2xYkSPE

Vicenth JV

Crédito: CC0 Public Domain

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