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    Interferência quântica no serviço de tecnologia da informação

    Crédito CC0:domínio público

    Cientistas da Faculdade de Física, 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 com mais rapidez e precisão do que com os métodos padrão. Seus estudos podem impulsionar aplicações de tecnologias quânticas em inteligência artificial, robótica e diagnóstico médico, por exemplo. Os resultados deste trabalho foram publicados em Avanços da Ciência .

    Ciência contemporânea, Medicina, engenharia e tecnologia da informação exigem processamento eficiente de dados - imagens estáticas, sinais de som e rádio, bem como informações provenientes de diferentes sensores e câmeras. Desde a década de 1970, isso foi conseguido por meio do algoritmo Fast Fourier Transform (FFT). O FFT torna possível compactar e transmitir dados de forma eficiente, fotos da loja, transmitir TV digital, e falar pelo telefone celular. Sem este algoritmo, sistemas de imagens médicas baseados em ressonância magnética ou ultrassom não teriam sido desenvolvidos. Contudo, ainda é muito lento para muitos aplicativos exigentes.

    Para cumprir este objetivo, os cientistas vêm tentando há anos controlar a mecânica quântica. Isso resultou no desenvolvimento de uma contraparte quântica do FFT, a transformada quântica de Fourier (QFT), que pode ser realizado com um computador quântico. Como o computador quântico processa simultaneamente todos os valores possíveis (os chamados "superposições") de dados de entrada, o número de operações diminui consideravelmente.

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

    Interferência quântica a serviço da tecnologia da informação. Crédito:M. Czerniawski, L. Kaluza, Agência de Promoção UW

    Transformada de kravtchuk

    A matemática descreve muitas transformações. Um deles é uma transformação de Kravtchuk. É muito semelhante ao FFT, uma vez que permite o processamento de dados discretos (por exemplo, digitais), mas usa funções de Kravtchuk para decompor a sequência de entrada no espectro. No final da década de 1990, a transformação de Kravtchuk foi "redescoberta" na ciência da computação. 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. Uma dúzia de anos atrás, foi mostrado que esta transformação é ideal para processamento de baixa qualidade, dados barulhentos 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

    Em seu artigo publicado em Avanços da Ciência , cientistas da Universidade de Varsóvia - Dr. Magdalena Stobinska e Dr. Adam Buraczewski, cientistas da Universidade de Oxford, e NIST, mostraram que o portão quântico mais simples, que interfere entre dois estados quânticos, essencialmente calcula a transformada de Kravtchuk. Tal portão poderia ser um dispositivo óptico bem conhecido - um divisor de feixe, que divide os fótons entre duas saídas. Quando dois estados de luz quântica 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. Este é o conhecido efeito Hong-Ou-Mandel, que também pode ser estendido a estados feitos de muitas partículas. Por "pacotes" de interferência consistindo de muitos fótons indistinguíveis (a indistinguibilidade é muito importante, já que sua ausência destrói o efeito quântico), que codificam as informações, obtém-se um computador quântico especializado que calcula a transformada de Kravtchuk.

    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 está equipado com TES (Transmission Edge Sensors), desenvolvido por NIST, que operam em temperaturas quase zero absolutas. Esses detectores possuem uma característica única:eles podem realmente contar fótons. Isso permite que se leia com precisão o estado quântico deixando o divisor de feixe e, assim, o resultado do cálculo. Mais importante, tal cálculo da transformada quântica 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, implementado com um único portão. Claro, a fim de obter o resultado na prática, é preciso realizar o experimento várias centenas de vezes para obter as estatísticas. É assim que todo computador quântico funciona. Contudo, não demora muito, porque o laser produz dezenas de milhões de "pacotes" multifotônicos por segundo.

    O resultado obtido por cientistas da Polônia, o Reino Unido e os Estados Unidos encontrarão aplicações no desenvolvimento de novas tecnologias e algoritmos quânticos. Sua gama de usos vai além da fotônica quântica, uma vez que uma interferência quântica semelhante pode ser observada em muitos sistemas quânticos diferentes. A Universidade de Varsóvia solicitou uma patente internacional para esta inovação. Os cientistas esperam que a transformada de Kravtchuk em breve encontre uso na computação quântica, onde se tornará um componente de novos algoritmos, especialmente em computadores híbridos quânticos-clássicos que mesclam circuitos quânticos com layouts digitais "normais".

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