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

Abstract

Artigos Gerais c b Licença Creative CommonsUma abordagem pedagógica no ensino da computação quântica com um processador quântico de 5-qbits A pedagogical proposal for teaching quantum computing using a 5-qubit processor Nosso trabalho consistiu em analisar um processador quântico real, chamado IBM Q experience (IBM-Q), como um recurso pedagógico na aplicação de conceitos da computação quântica. Este processador de 5-qbits pode ser acessado remotamente pela internet através de uma plataforma desenvolvida pela empresa de tecnologia IBM. Nos concentramos na caracterização do IBM-Q referente a vários aspectos práticos e metodológicos. Avaliamos quais seriam as principais condições para o acesso a esse processador quântico e, quanto a sua utilização, avaliamos a sua interface com respeito a simplicidade e execução. Em nossa análise, os resultados de projetos executados no IBM-Q estão de acordo com as previsões teóricas. Nossos resultados também demonstram a eficácia do IBM-Q como um recurso pedagógico, voltado para tarefas como montagem e execução de blocos simples de circuitos quânticos. Palavras-chave: IBM Q, Quantum Experience, Teleporte quântico, Computação quânticaOur study consisted in analyzing a real quantum processor, called IBM Q experience (IBM-Q), as a pedagogical resource for the application of quantum computing concepts. This 5-qubits processor can be accessed remotely by internet using a platform developed by IBM technology company. We focused on characterizing several practical and methodological aspects of the IBM-Q. We have evaluated the main conditions for accessing this quantum processor and the interface quality regarding to simplicity and execution. In our analysis, the results of the computational projects are in agreement with the theoretical predictions. The overall results have also demonstrated the IBM-Q is an effective pedagogical resource, focused on tasks such as and assembly execution of simple blocks of quantum circuits. Keywords: IBM Q, Quantum Experience, Quantum Teleport, Quantum Computation IntroduçãoAtualmente a computação quântica é tema central de pesquisa em ciência básica e tecnologia de fronteira. Nas duas últimas décadas, o interesse pela área vinha da motivação de que os algoritmos quânticos fornecem ganhos computacionais consideráveis, em relação aos aná-logos clássicos [1,2]. Como resultado, nos últimos anos experimentamos avanços tecnológicos que nos permitem começar a contornar alguns problemas práticos para a fabricação escalável dos computadores quânticos [1,[3][4][5][6].Um dos primeiros resultados desse interesse pela computação quântica foi o surgimento dos simuladores quân-ticos [7], ou seja, circuitos quânticos simulados em uma arquitetura clássica. A proposta central dos simuladores é proporcionar uma ferramenta de teste para circuitos e algoritmos quânticos, seja voltado para pesquisa e/ou para práticas pedagógicas. Independentemente do viés adotado para o simulador, os mesmos auxiliam a compreender conceitos e definições da computação quântica. No campo pedagóg...

Computação quântica: uma abordagem para a graduação usando o Qiskit

“…A seguir, mostramos uma breve introdução ao pacote Qiskit. O IBM QE oferece a estudantes, pesquisadores e entusiastas da computação quântica acesso rápido e prático por meio de uma interface amigável, permitindo que os usuários executem seus projetos e experimentos [1, 3,4]. Por outro lado, o Qiskit é uma ferramenta profissional para o desenvolvimento de programação quântica de alto nível [19][20][21][22][23], sendo tanto uma plataforma de desenvolvimento de softwares quânticos como uma linguagem de programação quântica [23].…”

“…Isso pode ser interpretado como um análogo quântico para a porta NOT clássica [5,8]. Por esse motivo, convencionou-se chamar a porta X como Porta NOT quântica [4].…”

“…Com o advento do IBM Quantum Experience (IBM QE) [1-4], houve uma facilitação ao acesso a plataformas de computação quântica [5][6][7][8] por qualquer pessoa com acesso à internet através de um computador doméstico [3,4]. Entretanto, a maioria dos estudantes dos cursos de ciências exatas e tecnológicas não são apresentados aos conceitos fundamentais da computação quântica até a pós-graduação.…”

“…Esse trabalho está estruturado seguindo um roteiro básico para a introdução de conceitos fundamentais para a computação quântica, como qubits, portas quânticas, emaranhamento e algoritmos quânticos. Fazemos uma apresentação das ferramentas computacionais necessárias para abordar nossos projetos de computação quântica em computadores domésticos; apresentamos os principais conceitos básicos de computação e informação quântica, como bits quânticos, portas quânticas básicas, medidas e emaranhamento quântico; e fornecemos um conjunto de aplicações, como a construção de portas lógicas clássicas a partir de portas quânticas, o famoso algoritmo de teleporte quântico [3][4][5]8] e o algoritmo de busca de Grover [5,14], executados em processadores quânticos reais. Estas aplicações podem ser usadas como exemplos de implementação de algoritmos quânticos em sala de aula, apresentando o Qiskit como uma ferramenta de trabalho útil para a apresentação de conceitos básicos de computação e informação quântica para uma ampla gama de estudantes com um conhecimento básico de mecânica quântica e até mesmo nenhuma experiência em programação científica.…”

Algoritmos quânticos com IBMQ Experience: Algoritmo de Deutsch-Jozsa

“…Em particular, teremos como foco a descrição do Algoritmo de Deutsch-Jozsa [13,14] e sua implementação experimental, utilizando os computadores quânticos da IBM, disponíveis na plataforma IBMQ-Experience [15] e de acesso ao público, para programação na nuvem. O IBMQ-Experience tem sido usado para implementar tarefas quânticas, como por exemplo teletransporte [16,17], geração de estados emaranhados [18], e simular sistemas quânticos [19].…”