Um autômato celular quântico (em inglês: Quantum Cellular Automaton ou QCA) é um modelo abstrato de computação quântica, concebido em analogia aos modelos convencionais de autômatos celulares introduzidos por John von Neumann.

O mesmo nome também pode se referir a autômatos celulares de pontos quânticos, que são uma implementação física proposta de autômatos celulares "clássicos" que exploram fenômenos mecânico-quânticos. QCA têm atraído atenção em nanofabricação, devido ao seu tamanho de característica extremamente pequeno (na escala molecular ou mesmo atômica) e ao consumo de energia ultrabaixo. Isso o torna um candidato para substituir a tecnologia CMOS.

Uso do termo No contexto de modelos de computação ou de sistemas físicos, autômato celular quântico refere-se à fusão de elementos tanto (1) do estudo de autômatos celulares na ciência da computação convencional quanto (2) do estudo do processamento de informação quântica. Em particular, as seguintes são características de modelos de autômatos celulares quânticos: A computação é considerada como ocorrendo pela operação paralela de múltiplos dispositivos de computação, ou células. As células são geralmente consideradas idênticas, sendo sistemas quânticos de dimensão finita (por exemplo, cada célula é um qubit). Cada célula tem uma vizinhança de outras células. Juntas, elas formam uma rede de células, que geralmente é considerada regular (por exemplo, as células são dispostas como uma rede com ou sem condições de contorno periódicas). A evolução de todas as células tem uma série de simetrias semelhantes às da física. Localidade é uma: o próximo estado de uma célula depende apenas de seu estado atual e do de seus vizinhos. Homogeneidade é outra: a evolução age da mesma forma em todos os lugares e é independente do tempo. O espaço de estados das células e as operações realizadas sobre eles devem ser motivados pelos princípios da mecânica quântica. Outra característica frequentemente considerada importante para um modelo de autômatos celulares quânticos é que ele deve ser universal para computação quântica (ou seja, que pode simular eficientemente máquinas de Turing quânticas, algum circuito quântico arbitrário ou simplesmente todos os outros autômatos celulares quânticos).

Modelos propostos recentemente impõem condições adicionais, por exemplo, que autômatos celulares quânticos devem ser reversíveis e/ou localmente unitários, e ter uma função de transição global facilmente determinada a partir da regra para atualizar células individuais. Resultados recentes mostram que essas propriedades podem ser derivadas axiomaticamente, a partir das simetrias da evolução global.

Modelos

Propostas iniciais Em 1982, Richard Feynman sugeriu uma abordagem inicial para quantizar um modelo de autômatos celulares. Em 1985, David Deutsch apresentou um desenvolvimento formal do assunto. Posteriormente, Gerhard Grössing e Anton Zeilinger introduziram o termo "autômatos celulares quânticos" para se referir a um modelo que definiram em 1988, embora seu modelo tivesse muito pouco em comum com os conceitos desenvolvidos por Deutsch e, portanto, não tenha sido desenvolvido significativamente como um modelo de computação.

Modelos de computação quântica universal O primeiro modelo formal de autômatos celulares quânticos a ser pesquisado em profundidade foi o introduzido por John Watrous. Este modelo foi desenvolvido posteriormente por Wim van Dam,W. van Dam, "Quantum cellular automata", Master Thesis, Computer Science Nijmegen, Summer 1996. bem como por Christoph Dürr, Huong LêThanh e Miklos Santha,http://www.arxiv.org/abs/cs.DS/9906024 Jozef Gruska.J. Gruska, "Quantum Computing", McGraw-Hill, Cambridge 1999: Seção 4.3. e Pablo Arrighi. No entanto, mais tarde percebeu-se que esta definição era muito vaga, no sentido de que algumas de suas instâncias permitem sinalização superluminal. Uma segunda onda de modelos inclui os de Susanne Richter e Reinhard Werner, de Benjamin Schumacher e Reinhard Werner, de Carlos Pérez-Delgado e Donny Cheung, e de Pablo Arrighi, Vincent Nesme e Reinhard Werner. Estes estão todos intimamente relacionados e não sofrem com esse problema de localidade. No final, pode-se dizer que todos concordam em imaginar autômatos celulares quânticos simplesmente como algum grande circuito quântico, repetindo-se infinitamente através do tempo e do espaço. Revisões recentes do tópico estão disponíveis aqui.

Modelos de sistemas físicos Modelos de autômatos celulares quânticos foram propostos por David Meyer, Bruce Boghosian e Washington Taylor, e Peter Love e Bruce Boghosian como um meio de simular gases de rede quânticos, motivados pelo uso de autômatos celulares "clássicos" para modelar fenômenos físicos clássicos, como a dispersão de gases.B. Chophard and M. Droz, "Cellular Automata modeling of Physical Systems", Cambridge University Press, 1998. Critérios para determinar quando um autômato celular quântico (QCA) pode ser descrito como um autômato de gás de rede quântico (QLGA) foram fornecidos por Asif Shakeel e Peter Love.

Autômatos celulares de pontos quânticos

Uma proposta para implementar autômatos celulares clássicos por meio de sistemas projetados com pontos quânticos foi proposta sob o nome "autômatos celulares quânticos" por Doug Tougaw e Craig Lent, como um substituto para a computação clássica usando tecnologia CMOS. Para melhor diferenciar entre esta proposta e modelos de autômatos celulares que realizam computação quântica, muitos autores que trabalham neste assunto agora se referem a ela como "autômato celular de ponto quântico".

Modelos de física de partículas Muitos QCAs que simulam teorias quânticas de campos no limite contínuo foram concebidos, e alguns deles são variantes de QCAs em células fermiónicas – os chamados Autômatos Celulares Fermiónicos (FCA). Os mais simples são QCAs de Dirac que, para regime de baixo momento e baixa massa, comportam-se como uma partícula de Dirac. A versão sem massa de um dos QCAs de Dirac, também conhecido como QCA de Weyl, mostrou reproduzir a dinâmica e a estatística do campo eletromagnético no vácuo. Alguns outros QCAs que simulam eletrodinâmica quântica também foram construídos. No entanto, ainda existem alguns problemas com esses modelos. Por exemplo, não está claro como definir um vácuo de Dirac livre em tais modelos que seja estável.

Ver também Autômato finito quântico Efeito Hall quântico

Referências

Categoria:Autômatos celulares Categoria:Ciência da informação quântica Categoria:Richard Feynman