Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology

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

Ringkasan

TLDRO vídeo explora a evolução dos computadores e a transição para a computação quântica, impulsionada pelas limitações físicas dos transistores. Com o tamanho dos transistores se aproximando de átomos, ocorre o fenômeno do tunelamento quântico, o que limita a capacidade dos computadores tradicionais. A computação quântica, que utiliza qubits, permite processar múltiplos estados simultaneamente, superando as limitações tradicionais. As aplicações incluem segurança em TI, simulações científicas e busca de dados, com o potencial de revolucionar áreas como medicina por meio da simulação de moléculas. No entanto, computadores quânticos são vistos como ferramentas especializadas, não substituindo computadores tradicionais para todos os propósitos.

Takeaways

  • 🤯 A evolução da tecnologia levou do uso de paus afiados à computação quântica.
  • 🧠 O crescimento exponencial de poder dos computadores está atingindo seus limites físicos.
  • 🔬 Transistores atuais, em nível atômico, estão limitados pelo tunelamento quântico.
  • 💻 Computadores quânticos usam qubits que podem estar em múltiplos estados ao mesmo tempo.
  • 🔗 Emaranhamento quântico permite interação instantânea entre qubits distantes.
  • 🔍 Busca de dados é mais eficiente em computadores quânticos.
  • 🔐 Segurança em TI pode ser ameaçada por computadores quânticos devido à rápida quebra de criptografia.
  • 🧪 Computação quântica pode transformar simulações científicas, como estrutura de proteínas.
  • 🚀 Potencial para avanços em medicina com simulações quânticas.
  • 🔬 O futuro da computação ainda é incerto, aguardando descobertas tecnológicas.

Garis waktu

  • 00:00:00 - 00:07:17

    A evolução da tecnologia humana tem se concentrado na melhoria do poder cerebral, com destaque para o crescimento exponencial dos computadores desde os anos 60. No entanto, estamos nos aproximando dos limites físicos, pois os componentes dos computadores estão ficando tão pequenos quanto átomos. Para superar essa barreira, são necessários computadores quânticos, que utilizam qubits em vez de bits. Qubits podem existir em múltiplos estados ao mesmo tempo, permitindo cálculos simultâneos mais eficientes. Embora os computadores quânticos não substituam os normais, destacam-se em áreas como busca de dados e segurança em TI, com o potencial de revolucionar a medicina por meio de simulações quânticas.

Peta Pikiran

Video Tanya Jawab

  • O que são transistores no contexto dos computadores?

    Transistores são interruptores elétricos que controlam o fluxo de elétrons e são a base do processamento de dados nos computadores.

  • Qual é o principal problema enfrentado pelos computadores atuais em relação ao tamanho dos transistores?

    Os transistores estão se aproximando do tamanho de átomos, o que causa problemas como o tunelamento quântico, onde elétrons passam por barreiras que deveriam bloqueá-los.

  • O que é tunelamento quântico?

    Tunelamento quântico é um fenômeno onde partículas, como elétrons, passam por barreiras devido a efeitos quânticos.

  • Como a computação quântica difere da computação tradicional?

    A computação quântica usa qubits que podem estar em múltiplos estados simultaneamente, ao invés de bits que são binários.

  • O que é um qubit?

    Um qubit é a unidade de informação na computação quântica que pode existir em uma sobreposição de '0' e '1'.

  • Qual é a vantagem dos computadores quânticos nas buscas de dados?

    Eles podem realizar buscas em uma base de dados grandes de forma mais eficiente utilizando a raiz quadrada do tempo de um computador tradicional.

  • Por que a segurança em TI pode ser ameaçada por computadores quânticos?

    Computadores quânticos podem quebrar chaves de criptografia mais rápido devido ao seu processamento exponencialmente acelerado.

  • Quais são os potenciais usos da computação quântica nas simulações científicas?

    Simulações quânticas podem oferecer novos insights em física quântica, especialmente em áreas como medicina e estrutura de proteínas.

  • Os computadores quânticos substituirão os computadores tradicionais?

    Provavelmente não para o uso doméstico, mas serão superiores em determinadas áreas especializadas.

  • Quem apoiou a criação do vídeo?

    O vídeo recebeu apoio da Academia de Ciências da Austrália.

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    [Narrador]: Durante a maior parte de nossa história
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    a tecnologia humana consistia em nossos cérebros,
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    fogo, e paus afiados.
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    Enquanto fogo e paus afiados se tornaram usinas de energia e armas nucleares
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    a maior melhoria ocorreu em nossos cérebros.
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    Desde os anos 60, o poder de nossas máquinas cerebrais cresceu exponencialmente,
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    permitindo que computadores ficassem ao mesmo tempo menores e mais poderosos.
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    Mas este processo está quase atingindo seus limites físicos.
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    As peças de computador estão se aproximando do tamanho de um átomo.
  • 00:00:29
    Para entender porque isto é um problema, nós temos que esclarecer algumas coisas básicas.
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    em uma casca de noz, por kurzgesagt
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    Um computador é feito por componentes muito simples,
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    fazendo tarefas muito simples.
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    Representando dados, os meios de processá-los, e mecanismos de controle.
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    Chips de computadores contém módulos,
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    que contém portas lógicas, que contém transistores.
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    Um transistor é a forma mais simples de processamento de dados em computadores,
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    basicamente um interruptor que pode abrir ou fechar o caminho para uma informação passar.
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    Essa informação é feita de bits, que podem configurados para ser "0" ou "1".
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    Combinações de muitos bits são usadas para representar informações mais complexas,
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    transistores são combinados para criar portas lógicas,
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    que ainda fazem coisas muito simples.
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    Por exemplo, uma porta "E" que gera uma saída "1" caso as duas entradas sejam "1"
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    ou "0" caso contrário.
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    Combinações de portas lógicas são criadas para tarefas mais significativas,
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    como por exemplo somar dois números.
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    Uma vez que você soma, você pode também multiplicar,
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    e uma vez que você pode multiplicar, você pode basicamente fazer qualquer coisa.
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    Uma vez que todas as operações básicas são literalmente mais simples do que
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    matemática da primeira série, você pode imaginar um computador como um grupo de
  • 00:01:44
    crianças de 7 anos, respondendo questões básicas de matemática.
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    Um número enorme delas pode computar qualquer coisa, de astrofísica a Zelda.
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    Entretanto, com as peças ficando menores e menores, a física quântica está deixando as coisas mais estranhas.
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    Um transistor é somente um interruptor elétrico.
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    Eletricidade são elétrons se movendo de um lugar para outro
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    então interruptores são passagens que podem bloquear elétrons de se moverem em uma direção.
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    Hoje, uma escala normal para transistores são 14 nanômetros.
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    O que é 8 vezes menor do que o diâmetro do vírus do HIV
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    e 500 vezes menor do que um glóbulo vermelho.
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    Como transistores foram encolhidos para o tamanho de apenas alguns átomos,
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    elétrons podem simplesmente se transferir para o outro lado de um bloqueio
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    por um processo chamado de tunelamento quântico.
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    No reino quântico, a física funciona um pouco diferente
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    dos meios previsíveis aos quais estamos acostumados
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    e computadores tradicionais simplesmente não fazem sentido.
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    Nós estamos chegando a uma barreira física real
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    para o nosso avanço tecnológico.
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    Para resolver este problema, cientistas tentam tirar vantagem
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    destas propriedades incomuns da física quântica,
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    construindo computadores quânticos.
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    Em computadores normais, bits são a menor unidade de informação.
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    Computadores quânticos usam qubits,
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    que também podem ser configurados para um de dois valores possíveis.
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    Um qubit pode ser qualquer sistema quântico de dois níveis
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    desde o spin e o campo mágnético
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    ou um simples fóton.
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    "0" e "1", e outros estados possíveis do sistema, podem ser a polarização vertical ou horizontal do fóton.
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    No mundo quântico, o qubit não precisa estar em somente um destes estados,
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    ele pode estar em qualquer proporção dos dois estados ao mesmo tempo.
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    Isto é chamado sobreposição.
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    Mas tão logo você testa este valor,
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    passando o fóton por um filtro, por exemplo,
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    ele tem que decidir se está verticalmente ou horizontalmente polarizado.
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    Então, enquanto não foi observado, o qubit é a sobreposição das probabilidades para "0" e "1"
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    e você pode prever qual será.
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    Mas no instante que você mede
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    ele colapsa para um dos estados definidos.
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    Sobreposição é uma verdadeira mudança.
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    4 bits clássicos podem estar cada um em uma de duas possíveis configurações distintas ao mesmo tempo.
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    Isto são 16 possíveis combinações, e você pode usar apenas uma.
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    4 qubits em sobreposição, entretanto,
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    podem estar em todas essas 16 ao mesmo tempo.
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    Este número cresce exponencialmente com cada qubit extra.
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    Somente 20 deles já podem armazenar um milhão de valores em paralelo.
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    Uma propriedade realmente estranha e interessante que os qubits podem ter
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    é o emaranhamento.
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    Uma conexão que pode fazer cada um dos qubits reagir a uma mudança de estado em outro
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    de maneira instantânea, não importando qual longe eles estejam.
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    Isto significa que quando medimos um qubit emaranhado,
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    você pode diretamente deduzir as propriedades de seu parceiro
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    sem precisar olhar.
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    A manipulação de qubit é outra coisa que frita neurônios.
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    Uma porta lógica normal recebe um conjunto simples de entradas
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    e produz uma saída definida.
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    Uma porta quântica manipula as sobreposições das entradas
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    rotaciona probabilidades
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    e produz uma outra sobreposição como saída.
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    Então um computador quântico têm alguns qubits,
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    aplica portas quânticas para emaranhar eles e manipular probabilidades
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    e finalmente mede os resultados
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    colapsando sobreposições para sequências de "0" e "1".
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    O que isso significa é que você possui todos os cálculos que são possíveis
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    com a sua configuração, todos feitos ao mesmo tempo.
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    Finalmente, você só pode medir um dos resultados
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    e provavelmente não vai ser aquele que você queria
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    então você precisa fazer uma verificação e tentar de novo.
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    Mas, como explicado, sobreposição e emaranhamento podem ser exponencialmente mais eficientes
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    do que jamais seria possível em um computador normal.
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    Então, enquanto computadores quânticos provavelmente
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    não irão substituir nossos computadores domésticos
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    em algumas áreas eles são imensamente superiores.
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    Uma delas é busca de dados.
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    Para achar algo em uma base de dados, um computador nomal
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    pode precisar testar cada uma de suas entradas de dados.
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    Algoritmos quânticos precisam somente da raiz quadrada deste tempo
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    que para bases de dados grandes é uma diferença enorme.
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    O uso mais famoso de computadores quânticos é segurança em TI.
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    Neste momento, os dados de seu navegador, e-mail e banco está sendo mantidos seguros
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    por um sistema de criptografia no qual você distribui para todos uma chave pública
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    para que eles possam cifrar mensagem que somente você pode decifrar.
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    O problema é que esta chave pública pode ser utilizada para calcular sua chave privada secreta.
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    Por sorte, fazer a matemática necessária para isto em qualquer computador normal
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    literalmente levaria anos de tentativa e erro.
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    Mas um computador quântico com aceleração exponencial
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    poderia fazer isso facilmente.
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    Outro empolgante novo uso é para fazer simulações.
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    Simulações do mundo quânticas necessitam de recursos muito intensos
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    e mesmo para estruturar maiores como moléculas
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    elas geralmente não possuem precisão.
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    Então porque não simular física quântica, utilizando de fato física quântica.
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    Simulações quânticas podem prover novos conhecimentos em proteínas,
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    que podem revolucionar a medicina.
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    No momento nós não sabemos se computadores quânticos serão ferramentas especializadas
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    ou uma grande evolução para a humanidade.
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    Nós não temos ideia de quais são os limites tecnológicos,
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    e só existe uma maneira de descobrirmos.
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    Este vídeo recebeu o apoio da Academia de Ciências da Austrália
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    que promove e suporte excelência em ciência.
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