8 de setembro de 2017 | 3E-UEL
1 – O Painel Solar captam a energia luminosa e produz energia elétrica (energia fotovoltaica). Os painéis solares, instalados, são conectados uns aos outros e então conectados ao Inversor Solar
Um conjunto de qubits pode ser carregado em paralelo (B) ou simultaneamente (C), graças ao fenômeno quântico do entrelaçamento..
Célula quântica de energia
Uma bateria quântica, quando puder ser construída na prática, terá uma velocidade de recarregamento imbatível.
Uma bateria quântica é um sistema que usa os qubits não para armazenar dados, mas energia.
Os qubits usados nos experimentos de computação quântica podem permanecer em um de dois estados, ou nos dois estados ao mesmo tempo, graças ao fenômeno quântico da superposição – qubits podem ser íons, átomos neutros, fótons etc.
Em uma bateria quântica, os dois estados representam diferentes níveis de energia do qubit. Assim, carregar uma bateria quântica significa passar o nível de todos os qubits de um estado mais baixo de energia, para um estado mais alto.
E essa energia pode ser extraída para executar trabalho útil. É o que os físicos chamam de "qubit de trabalho" – a bateria é chamada de quantacel, uma espécie de célula quântica de energia.
Bateria quântica
A grande vantagem da bateria quântica é que tudo nela pode tirar proveito das leis da mecânica quântica. Mais especificamente, do entrelaçamento, a propriedade segundo a qual tudo o que acontecer a um qubit afetará imediatamente todos os demais que estiverem em estado de entrelaçamento com ele.
Felix Binder e seus colegas da Universidade de Oxford, no Reino Unido, demonstraram que, estando entrelaçados, os qubits de trabalho estarão tão fortemente correlacionados que isto representará uma redução no "espaço de estados", isto é, na diferença entre os estados de energia baixo e alto.
Isto significa que o tempo de recarregamento da bateria quântica – o tempo para levar todos os qubits para o estado mais elevado de energia – é inversamente proporcional ao número de qubits da bateria. Assim, em um exemplo hipotético, se um qubit levasse uma hora para carregar, seis qubits poderiam ser recarregados em 10 minutos.
Este conceito é diferente de uma proposta feita em 2009 por uma equipe do Japão, que propôs a criação de uma bateria quântica baseada em nanomagnetos.
O desafio para construir uma bateria quântica real é que o estado de entrelaçamento não costuma durar muito, além do que o recorde de entrelaçamento simultâneo de qubits não passa de algumas dezenas.
Assim, a energia armazenada por uma bateria quântica não seria muito grande, ao menos não com a tecnologia atual e dentro de um horizonte razoável de tempo.
Mas os pesquisadores veem uso prático para esses sistemas de armazenamento de energia.
"Nosso estudo é uma prova de conceito teórica de que a física quântica pode acelerar a deposição de energia em um sistema. Esse efeito de aceleração pode ser relevante em dois casos: 1) em dispositivos mecânicos que se tornem tão pequenos que as escalas de energia sejam comparáveis às atuais implementações de sistemas quânticos; 2) em sistemas quânticos que sejam aumentados e controlados de forma robusta em escalas de energia que sejam de importância prática," disse John Goold, membro da equipe.
Vista geral do memcomputador, incluindo os seis memprocessadores, os osciloscópios e demais aparelhos necessários para inserir os dados e ler os resultados.
Memcomputador
Pesquisadores norte-americanos e italianos construíram o primeiro "memcomputador", uma nova arquitetura computacional que lembra mais a forma como funciona o cérebro humano.
Na arquitetura dos computadores atuais, conhecida como paradigma de Turing, o armazenamento (memória) e o processamento (CPU) dos dados são feitos em áreas distintas, o que exige o transporte constante desses dados de um lado para o outro.
No memcomputador tudo é feito no mesmo lugar, com um ganho exponencial de velocidade.
Isto é possível porque, em lugar dos transistores dos computadores atuais, o memcomputador usa memristores, componentes eletrônicos que conseguem guardar dados e podem ser usados para cálculos, tudo simultaneamente. Cada memristor consegue se lembrar da corrente elétrica que o atravessou alterando sua própria resistência, de modo que o dado é mantido na memória ao mesmo tempo que o componente está sendo usado para fazer os cálculos.
Memcomputação
"A memcomputação é um novo paradigma 'não-Turing' de computação que utiliza células de memória interagentes (memprocessadores) para armazenar e processar informações na mesma plataforma física," explica a equipe.
"Foi recentemente provado matematicamente que os memcomputadores têm o mesmo poder computacional das máquinas de Turing não determinísticas. Portanto, elas podem resolver problemas NP-completos em tempo polinomial e, usando a arquitetura apropriada, com recursos que só crescem polinomialmente com o tamanho da entrada," acrescentam.
O "problema NP-completo" a que se referem os pesquisadores pode ser entendido, de forma simplificada, pela questão: "Dado um conjunto de números inteiros, existe ao menos um subconjunto não vazio cuja soma seja zero?"
Desempenho do memcomputador
Memprocessador – o protótipo usa seis unidades iguais a essa.
Nos computadores eletrônicos atuais, a solução desse problema exige que cada número seja levado da memória ao processador e somado com cada um dos outros. Se seu conjunto tem 1 milhão de números, cada número será comparado 1 milhão de vezes, o que dará 1 trilhão de viagens entre o processador e a memória.
O memcomputador, por sua vez, cria uma espécie de labirinto para a eletricidade através de toda a malha de memristores. Nesse labirinto, cada entrada representa um número do conjunto original, enquanto as saídas representam cada um dos números com os quais ele deve ser comparado. Além disso, a eletricidade só flui pelo circuito através de combinações específicas – combinações que deem uma soma determinada.
Desta forma, pegando um número, o memcomputador faz todas as suas combinações com os demais em uma única rodada do seu "labirinto elétrico". Assim, no mesmo exemplo anterior, com um conjunto de 1 milhão de números, o memcomputador precisará de apenas 1 milhão de rodadas, contra 1 trilhão dos computadores atuais.
Transformando isso em tempo, se as duas arquiteturas levarem um segundo para fazer cada cálculo, o memcomputador resolverá o problema em 11,5 dias, enquanto os computadores atuais levarão 31.700 anos.
Ruído e correção de erro
O memcomputador usa seis memprocessadores, cada um construído em sua própria placa de circuito impresso. Embora não deem detalhes sobre os memristores propriamente ditos, a equipe afirma que todo o circuito foi construído com técnicas da microeletrônica tradicional, disponíveis na maioria dos laboratórios.
Mas, é claro, nem tudo está pronto para mudar o mundo da computação e da informática – e nem para dispensar as pesquisas com os computadores quânticos.
Os pesquisadores relatam que o memcomputador sofre de uma anomalia congênita: uma forte perda de dados. O labirinto criado ao longo da matriz de memristores degrada-se com a distância, tornando difícil separar o dado do ruído introduzido pelo ambiente. Mas, segundo eles, isto poderá ser corrigido com o desenvolvimento de códigos de correção de erros adequados.
"Vale a pena notar que os algoritmos de computação quântica também exigem necessariamente códigos de correção de erros para a sua implementação prática por causa de várias fontes inevitáveis de ruído," compara a equipe.