Informação Quântica: A Teoria de Shannon aos computadores

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A informação quântica é uma das novas tendências de estudo dentro da física e da engenharia da comunicação. Com efeito, a compreensão da informação e dos processos de comunicação compreendem uma área de estudo que nasce de um contexto aplicado durante a segunda guerra mundial com os estudos do matemático e engenheiro Claude Shannon. Todavia, a evolução do conhecimento nos levou a grandes expansões no entendimento da comunicação até chegarmos nos poderosos computadores quânticos que prometem revolucionar toda a computação moderna.

Tendo isso em vista, hoje nós da MeuGuru trouxemos esse artigo específico para que você entenda sobre as novas tendências na área da informação e informação quântica. Além disso, vamos explorar ainda como essas noções estabelecem bases para a computação quântica. Então, vem conosco gurunauta que hoje nós vamos nos adentrar no mundo da informação.

A teoria da informação de Shannon

A teoria da informação foi desenvolvida pelo matemático e engenheiro eletricista Claude Shannon. Com efeito, Shannon nasceu em 30 de abril de 1916 em Petoskey, Michigan, nos Estados Unidos e, desde pequeno, demonstrou habilidades excepcionais em matemática e ciências. Ademais, ele frequentou a Universidade de Michigan, onde se graduou como bacharel em engenharia elétrica em 1936. Posteriormente, Shannon foi estudar no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), onde obteve seu mestrado em engenharia elétrica em 1937.

Retrato de Claude Shannon criador da teoria da informação que foi generalizada para a teoria da informação quântica.
Retrato de Claude Shannon gerado pelo Craiyon.

O bit e o legado de Claude Shannon para a informação e informação quântica

Em suma, já apenas com seu mestrado Shannon começou a trabalhar no laboratório de pesquisa da American Telephone and Telegraph Company (AT&T) em Nova York. Aliás, foi nesse laboratório que Shannon iniciou os estudos que estabeleceriam as bases para a teoria da informação. Com efeito, uma das contribuições mais famosas de Shannon foi estabelecer a noção de bit.

Decerto, a introdução do bit, uma unidade fundamental de informação e a base da computação digital moderna. Ademais, ele mostrou que qualquer tipo de informação pode ser representada e transmitida usando combinações de bits. Além disso, Shannon também fez contribuições significativas para o campo da computação. Em 1937, enquanto ainda era estudante de graduação no MIT, ele desenvolveu um dispositivo mecânico chamado “Máquina de Shannon” para jogar xadrez, considerada uma das primeiras tentativas de criar um programa de computador para jogar xadrez automaticamente.

Claude Shannon recebeu vários prêmios e honrarias em reconhecimento às suas contribuições. Ele foi eleito membro da Academia Nacional de Engenharia dos Estados Unidos e da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos. Em 1956, ele recebeu a Medalha Nacional de Ciências dos Estados Unidos por suas contribuições à teoria da informação. Ele também foi agraciado com a Medalha Edison IEEE e a Medalha de Honra IEEE, duas das mais altas honrarias na área de engenharia elétrica.

Ademais, ele faleceu em 24 de fevereiro de 2001, deixando um legado duradouro no campo da teoria da informação e da comunicação. Atualmente, sua teoria ganha novos horizontes frente a introdução de conceitos da física quântica incorporadas as suas definições e teoremas.

O início da teoria da informação !

No ano de 1948 ele publicou um artigo intitulado por: A Mathematical Theory of Communication” (Uma Teoria Matemática da Comunicação), no qual ele introduziu conceitos como entropia, redundância, capacidade de canal e codificação de fonte.

Com efeito, esses conceitos matematizam a noção de comunicação. Assim, modelando processos de comunicação e formalizando-os sob bases matemáticas que permeiam a análise matemática e a teoria de probabilidades. Em particular, destacamos os seguintes elementos do processo de comunicação que foram estabelecidos por Shannon.

  • Uma mensagem pode ser enviada de um emissor para um receptor a uma taxa máxima de compressão, sem perdas, que é dada pela entropia de Shannon: H(x) = ∑ p(x)log(p(x)).
  • Toda comunicação ocorre por um canal de comunicação C. O canal de comunicação é o meio que é utilizado para a propagação de informação. O qual, esse pode ser uma carta, um email, uma onda eletromagnética dentre outros.
  • Todo canal de informação C tem uma capacidade máxima de informação que pode ser utilizada para a máxima comunicação entre um emissor e um receptor mutualmente.
  • Um emissor corresponde a uma função matemática que envia uma mensagem codificada.
  • Um receptor corresponde a uma função matemática que captura a mensagem codificada e a decodifica permitindo a análise da mensagem.

Esses elementos modelam o processo de comunicação. Desse modo, torna-se possível com o uso de ferramentas matemáticas adequadas estabelecer resultados gerais para quaisquer processos de comunicação. Com efeito, nesse contexto cita-se os dois Teoremas de Shannon que estabelecem a taxa de máxima compressão de dados e a existência de um código para qualquer canal C que é computável abaixo da taxa da capacidade de Canal.

A evolução da informação de Shannon na informação quântica

Atualmente, a física quântica ganha um novo despontar associado a aplicações tecnológicas que causam impactos diretos nos processos industriais e tecnológicos. Em verdade, as noções de comunicação estabelecidas pelo Shannon foram o pontapé inicial para algo muito maior que traria diversos avanços para a estatística, probabilidade e para a física quântica.

Com efeito, as noções de canal, capacidade de canal, comunicação, entropia de Shannon e outras quantidades físicas ganharam novos sentidos e significados ao passo que foi-se incorporado preceitos da física quântica sobre tais grandezas. Assim, surge a teoria da informação quântica a qual se preocupa com o estudo dos processos da física quântica associados a comunicação.

A emergência das tecnologias quânticas

Decerto, esse é uma área emergente da física, matemática, computação e engenharia. Em suma, os limites de atuação desse área ainda sequer estão bem definidos, assim, permitindo que diversos profissionais atuem nessa área podendo então compreender e contribuir diferentes aspectos dessa teoria bem como suas potenciais aplicações tecnológicas.

Ademais, essa relevância se dá tendo em vista que as estranhezas da mecânica quântica levam há vários efeitos e fenômenos curiosos ocorrerem. Em particular, podemos citar o teleporte quântico que permite que bits de informação possam ser transferidos de forma instantânea do estado quântico de uma partícula para outra, mesmo que elas estejam separadas por uma grande distância.

Além disso, há o grande problema da adição de canais de comunicação. Esse, em particular, é interessante comentarmos. Imagine que você tem dois canais de comunicação que sejam ruidosos, isto é, que tenham algo que dificulta a transferência das mensagens, por exemplo, pense que você deseje conversar com seu melhor amigo próximo a uma turbina de um avião. Decerto, o canal de comunicação por vocês usado é o ar que permitirá que ondas sonoras sejam transmitidas de um para o outro. Todavia, frente a turbina provavelmente vocês não conseguirão se comunicar frente a tanto barulho.

Entretanto, imagine que você colocasse mais uma turbina de um outro avião próximo a vocês eventualmente vocês teriam menos chance ainda de se comunicar. Todavia, caso essas turbinas fossem canais ruidosos quânticos seria possível que na adição da segunda turbina vocês começassem a conversar tranquilamente. Isso é extremamente bizarro e contraintuitivo.

A informação quântica e computação Quântica

Decerto, o grande ápice da informação quântica se dá na computação quântica. Com efeito, é nela que os grandes interesses vem se voltando atualmente uma vez que estamos vivendo uma era de corrida para a computação quântica.

Assim, a informação quântica refere-se à codificação, manipulação e transmissão de informações usando os princípios da mecânica quântica. A unidade básica de informação quântica é o qubit, que é o equivalente quântico do bit clássico. Enquanto o bit clássico pode estar em um estado de 0 ou 1, o qubit pode estar em uma superposição desses estados, representado por uma combinação linear de 0 e 1. Essa propriedade de superposição permite que um qubit esteja simultaneamente em múltiplos estados.

A computação quântica, por sua vez, é uma área da ciência da computação que utiliza os princípios da mecânica quântica para realizar cálculos de maneiras mais poderosas do que os computadores clássicos. Enquanto os computadores clássicos usam bits para armazenar e processar informações, os computadores quânticos usam qubits. A capacidade dos qubits de estar em superposição e entrelaçamento permite que os computadores quânticos realizem cálculos em paralelo e explorem simultaneamente múltiplos caminhos computacionais.

Referências

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