Usando computadores baseados na física quântica, cientistas esperam simular a realidade em escala molecular mais precisamente do que em tentativas anteriores.
Os pesquisadores esperam que, com isso, pesquisar a reação das moléculas seja mais fácil. Será mais tranqüilo, por exemplo, observar o efeito que as drogas têm sobre as moléculas de nosso corpo.
Atualmente, simular o mundo molecular em supercomputadores convencionais é um problema. Para que o computador consiga processar corretamente “a idéia”, não é possível representar mais do que três ou quatro átomos – e, se os cientistas desejam ver uma simulação mais complexa de moléculas, o computador simplesmente não consegue processar, pois fica muito complexa.
O primeiro computador quântico de programação universal está sendo desenvolvido, mas os testes preliminares mostram que ele tem problemas que ainda têm que ser superados antes que a criação possa ser usada em larga escala.
No início do ano, uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Tecnologia dos Estados Unidos criou um computador quântico capaz de processar dois bits quânticos, conhecidos como qubits. Estes bits conseguem armazenar mais informação que os comuns, que só têm dois estados. Assim, os computadores quânticos podem processar informações e realizar processos muito mais rapidamente que um computador comum.
O novo aparelho experimental utiliza íons de berílio para armazenar os qubits enquanto um laser realiza operações simples de lógica com os bits, enquanto outro laser analisa os resultados dos cálculos. “Quando demonstramos que era possível combinar vários componentes deste modo, nos perguntamos: o que podemos fazer com isso”, afirma David Hanneke .
Os pesquisadores encontraram a resposta na teoria computacional quântica: “Um dos resultados mais interessantes dos últimos anos no campo da informação quântica foi que é possível realizar qualquer operação quântica com qubits usando apenas qubits sozinhos e em duplas”, afirma Hanneke. Embora isto já tivesse sido testado e usado para realizar algoritmos específicos, nenhum computador capaz que realizar todos os cálculos quânticos já havia sido criado – até agora. Possibilidades infinitas
No interior do computador há uma pastilha de alumínio coberta com ouro, que contém uma “armadilha” eletromagnética de aproximadamente 200 micrometros de comprimento. Nesta parte do computador a equipe de pesquisadores colocou quatro íons – dois de magnésio e dois de berílio. Os íons de magnésio agem como resfriadores, removendo vibrações indesejadas da cadeia de íons e mantendo a estabilidade do aparelho. Por que a computação quântica é o futuro?
Existe um número infinito de operações possíveis com o uso de dois qubits, então a equipe escolheu uma seleção aleatória de 160 operações para demonstrar a universalidade do processador. Cada operação é feita chocando os dois qubits com 31 canais quânticos codificados com os lasers. Controlando a voltagem nos eletrodos de ouro, os cientistas podem separar os íons quando os canais de qubits únicos são utilizados e juntá-los quando os canais requerem dois qubits.
A equipe realizou cada uma das 160 operações 900 vezes. Comparando os resultados obtidos com previsões teóricas, eles puderam observar que o processador funcionou como planejado. Porém, a exatidão da máquina foi de apenas 79%, de acordo com Hanneke. “Cada canal tem uma precisão de aproximadamente 90%, mas quando são colocados juntos, este número cai para 79% para uma operação qualquer”, diz o pesquisador.
Isto acontece, segundo o pesquisador, porque a pulsação do laser varia em intensidade. “Eles não são pulsos ‘quadrados’, eles oscilam”, explica Hanneke. Para que o processador possa ser utilizado com segurança para uso em maior escala, a exatidão das operações realizadas pelo computador quântico precisa ser de 99,99%.
Esta melhoria pode ser conseguida ao aumentar a estabilidade do laser e reduzindo os erros do hardware óptico. Se esses níveis de eficácia forem alcançados, o novo chip poderá ser usado como parte integral de um processador quântico, já que pode realizar várias operações simultaneamente de acordo com os pesquisadores.
Post: O incremento destas pesquisas posibilitará que em um futuro proximo se construam verdadeiras máquinas pensantes, com nivel de inteligencia artificial bem parecidas com as que vemos nos atuais filmes de sci-fi, na verdade os veículos para viagens espaciais para fora do sistema necessitarão grandemente deste tipo de instrumentação para navegação e comunicações.
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A FISICA DE STARTREK
A luz viaja a 300.000 leva oito minutos para percorrer a distância que nos separa do Sol. Já a luz de Alfa-Centauri leva mais de quatro anos para atingir a Terra. Por isso, utiliza-se como unidade de distância, nas escalas astronômicas, a unidade ano-luz, ou seja, a distância que a luz percorre em um ano, que equivale a 9,5 trilhões de km.
Dessa maneira, ao observarmos Alfa-Centauri, estamos vendo a luz que partiu dela há quatro anos. A estrela Sírius, a mais brilhante do céu, é vista na Terra como era há oito anos e meio. A estrela Betelgeuse, a brilhante estrela vermelha de Órion, se apresenta para nós como era 427 anos atrás. O objeto mais distante que podemos observar a olho nu é a vizinha galáxia de Andrômeda, que possui mais de 100 bilhões de estrelas. Ao olharmos para ela, observamos como ela era há dois milhões de anos – uma época em que o homem ainda não caminhava sobre a Terra. Outros objetos já foram observados a distâncias superiores a bilhões de anos-luz. Essas distâncias incomensuráveis que nos separam das estrelas e galáxias no universo de certa maneira nos deixam isolados. As espaçonaves Voyager 1 e 2 são as mais velozes já construídas pelo homem e viajam na impressionante velocidade de 151 mil km/h e 128 mil km/h, respectivamente (quase 122 e 104vezes a velocidade do som). Após visitarem Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, elas foram aceleradas pela ação gravitacional desses planetas e arremessadas para fora do Sistema Solar. Entretanto, nessa velocidade, essas espaçonaves levariam cerca de 43 mil anos para alcançar Alfa-Centauri e 270 milhões de anos para atingir o centro da nossa galáxia, que dista 25 mil anos-luz.
A luz é o limite Se em um futuro distante pudermos construir espaçonaves mais rápidas, há um limite de velocidade que elas não poderão ultrapassar: a velocidade da luz. Inúmeros experimentos feitos em laboratório e eventos astronômicos observados já comprovaram esse fato. Quanto mais próximo tentamos chegar da velocidade da luz, mais energia é necessário. Se fosse possível alcançá-la, seria preciso uma quantidade infinita de energia. Há cerca de 100 anos o físico alemão Albert Einstein (1879-1955), por meio da sua teoria da relatividade especial, propôs uma explicação para esses fatos. A velocidade da luz é um limite que não pode ser violado. Como conseqüência, nossos conceitos de tempo e de espaço deveriam ser mudados. Desta forma, em um primeiro momento, ficamos com a sensação de que estaremos sempre presos a essa limitação da natureza. Uma barreira que não pode ser vencida. Entretanto, as próprias idéias de Einstein também nos permitem, de alguma maneira, viajar até essas estrelas distantes em escalas de tempo compatíveis com a vida humana. Quando viajamos em velocidade muito próxima à da luz, o tempo flui de uma maneira muito mais lenta. Esse fenômeno, conhecido como dilatação temporal, verificado em inúmeros experimentos, mostra que, quanto mais perto estamos da velocidade da luz, mais lentamente o tempo passa.
Se viajarmos, por exemplo, a 10% da velocidade da luz, ou 30.000 km/s (650 vezes mais rápido do que a espaçonave Voyager 1), para cada 10 segundos passados aqui na Terra, o relógio da espaçonave avançaria 9,95 segundos, ou seja, ele registraria o tempo mais lentamente. Por outro lado, se a viagem fosse feita com 99,999% da velocidade da luz, 10 segundos aqui na Terra corresponderiam a apenas 0,04 segundos na espaçonave. Desta forma, uma jornada de ida e volta para Betelguese demoraria, para esse viajante, aproximadamente dois anos. Para quem ficou na Terra, porém, quase 860 anos teriam se passado, ou seja, o astronauta não encontraria na volta ninguém que conhecia ainda vivo. Viajar dessa maneira é também uma jornada para o futuro, mas sem volta. A curvatura do espaço
Existem outras alternativas, muito mais complexas, que permitem viagens interestelares de grande distância sem que os efeitos temporais sejam problemáticos. De alguma maneira é possível driblar o impedimento imposto pelo limite da velocidade da luz. Em 1915, Einstein generalizou os conceitos da relatividade e incluiu nela os efeitos de corpos acelerados e campos gravitacionais, mostrando que a presença de matéria curva o espaço e o tempo dando origem à força gravitacional. Dessa forma, o efeito da gravidade decorre do fato de os corpos se deslocarem por um espaço curvo.
A famosa equação E=mc 2 (energia igual ao produto da massa vezes a velocidade da luz ao quadrado) mostrou que matéria e energia são equivalentes. Em função disso, uma solução tecnológica para esse problema seria construir uma espaçonave capaz de gerar enormes quantidades de energia ao seu redor, o suficiente para curvar o espaço de forma que a distância que ela percorreria seria menor do que se viajasse pelo espaço normal, como na figura ao lado. Contudo, a energia necessária para tanto seria equivalente a toda a energia que o Sol produziu nos últimos 5 bilhões de anos. Essa curvatura do espaço permitiria aproximar pontos longínquos do espaço, como se dobrássemos uma folha de papel aproximando dois pontos que anteriormente estavam distantes. Como o espaço que separa dois pontos ficou menor, pode-se viajar a uma velocidade bem menor que a da luz e, portanto, os efeitos de dilatação temporal são irrelevantes.
Essa solução, embora tecnologicamente inviável talvez por muitos séculos, é a saída que muitos escritores de ficção científica encontraram para justificar os seus enredos. Talvez o primeiro a utilizá-la foi o autor da série Jornada nas Estrelas ( Star Trek ), na qual a espaçonave Enterprise se vale desse recurso para percorrer distâncias enormes. O astrônomo e divulgador de ciência Carl Sagan, no seu livro Contato , também utilizou um recurso semelhante para viabilizar a viagem da protagonista da história até o centro da galáxia. Alcançar as estrelas ainda é um sonho de difícil realização. Levaremos muitos séculos para superarmos os limites tecnológicos que tal empreitada requer. No momento, podemos apenas realizar uma jornada nas estrelas por meio do nosso conhecimento e imaginação.
Post: Publicada no Ciência Hoje On-line 20/07/2007
Fios de diamante unem qubits
Fios de diamante unem qubits para criar computador quântico
Longe de ser apenas um material passivo, o nanofio de diamante mostrou-se capaz
de funcionar como uma fonte brilhante e estável de fótons individuais.[Imagem: Jay Penni]
Cientistas criaram nanofios de diamante que apresentaram propriedades inéditas, nunca vistas num único material. As propriedades dos nanofios de diamante, que ainda não foram totalmente exploradas, mostram que eles são adequados para a fabricação de nanomateriais ideais para a computação quântica, a criptografia quântica e para o imageamento científico, entre várias outras possibilidades.
Computador de diamante
No início de 2009, pesquisadores australianos haviam construído o equivalente a fios de diamante mas que eram, na verdade, ranhuras feitas ao longo do diamante, embora permitam a transmissão direcionada de fótons.
Agora, a equipe do professor Marko Loncar conseguiu construir fios de diamante de fato, em nanoescala.
Praticamente todos os elementos essenciais para a construção dos computadores quânticos já foram demonstrados utilizando o diamante como material básico - veja, por exemplo, Diamante tem qubits para computador quântico a temperatura ambiente e Diamante tem qubit natural para construção de computadores quânticos.
Até agora, porém, ninguém havia conseguido construir os fios para interconectar esses componentes, permitindo que eles troquem dados de maneira simples e direta, fazendo o papel que os fios de ouro e cobre fazem no interior dos processadores de um computador tradicional.
Fonte de luz
Mas o resultado foi melhor do que o esperado. Longe de ser apenas um material passivo, o nanofio de diamante mostrou-se capaz de funcionar como uma fonte brilhante e estável de fótons individuais. Melhor ainda, ele faz isto a temperatura ambiente.
Isto torna os nanofios de diamante adequados não apenas para a fabricação de dispositivos voltados para a computação e a comunicação quânticas, como também para a viabilização dos chips ópticos - que troquem dados utilizando luz em vez de eletricidade - e para aplicação em áreas que vão desde o sensoriamento biológico e químico até a obtenção de imagens científicas de amostras vivas em resoluções nunca antes alcançadas.
