🚀 Quantum Computing com Qiskit

Projeto educacional de computação quântica utilizando o framework Qiskit da IBM

Notebooks • Instalação • Conceitos • Referências

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📑 Índice

• 📚 Sobre o Projeto
• 🤖 Declaração de Uso de IA
• 📂 Estrutura do Projeto
• 📖 Notebooks Disponíveis
• 🧰 Módulos Python
• 🛠️ Tecnologias Utilizadas
• 🚀 Como Usar
• 📊 Recursos Visuais
• 🎓 Conceitos Abordados
• 🤝 Contribuindo
• 📚 Referências
• 📄 Licença
• 📝 Como Citar

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📚 Sobre o Projeto

Este repositório contém notebooks Jupyter interativos que exploram conceitos fundamentais de computação quântica, desde a matemática básica até protocolos quânticos complexos como o teletransporte quântico.

🎯 Objetivos

✨ Demonstrar conceitos de mecânica quântica de forma visual e interativa
⚡ Implementar algoritmos e protocolos quânticos usando Qiskit
📐 Fornecer explicações matemáticas detalhadas junto com código executável
🎓 Servir como material didático para quem está aprendendo computação quântica

🤖 Declaração de Uso de IA e Integridade

Este projeto adota uma abordagem transparente quanto ao uso de tecnologias de Inteligência Artificial no desenvolvimento de software, em conformidade com as boas práticas de integridade acadêmica e científica.

Ferramentas Utilizadas:

🤖 Github Copilot & Google Antigravity: Utilizados para auxílio na geração de código (boilerplate), otimização de sintaxe e sugestões de implementação.

Compromisso de Autoria e Validação:

Embora ferramentas de IA tenham sido empregadas, a integridade do projeto é garantida pelos seguintes pilares de validação humana:

1. 💡 Ideação e Pedagogia: A estrutura didática, a sequência lógica dos tópicos e as explicações conceituais são de autoria intelectual humana.
2. 🔧 Engenharia de Software: Todos os códigos gerados passaram por:
   • ✅ Análise de requisitos e adequação pedagógica
   • ✅ Testes funcionais automatizados para garantir a corretude dos algoritmos quânticos
   • ✅ Revisão manual para assegurar a aderência aos conceitos físicos da Mecânica Quântica
3. 🎯 🎯 Responsabilidade: O autor assume total responsabilidade pela funcionalidade, segurança e exatidão do material didático aqui apresentado.

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📂 Estrutura do Projeto

quantum/
├── notebooks/          # Notebooks Jupyter educacionais
│   ├── 00a-math.ipynb
│   ├── 00b-phases.ipynb
│   ├── 01-intro.ipynb
│   ├── 02-teletransport.ipynb
│   ├── 02-teletransport.qasm
│   ├── 03-mais-sobre-Hadamard.md
│   ├── 04-Hadamard-experiment.ipynb
│   ├── 05-interference.ipynb
│   ├── 05-kickback.qasm
│   ├── 05-deutsch-jozsa.qasm
│   ├── 06-grover.ipynb
│   ├── 06-grover.qasm
│   ├── 07-quantum-fourier-transform.ipynb
│   ├── 20-quantum-machine-learning.ipynb
│   ├── 20-vqc-classifier.qasm
│   └── 20-vqc-tutorial.qasm
├── src/                # Módulos Python reutilizáveis
│   ├── __init__.py
│   └── quantum_viz.py  # Funções de visualização interativa
├── assets/             # Recursos (imagens, vídeos, etc.)
├── README.md
├── LICENSE
└── pyproject.toml

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📖 Notebooks Disponíveis

📓 Notebook	🎯 Tópicos Principais	📊 Nível
00a-math	Estados quânticos, portas, produto tensorial	🟢 Básico
00b-phases	Fases quânticas, portas CP, Bloch sphere	🟡 Intermediário
01-intro	Primeiros passos com Qiskit, Bell states	🟢 Básico
02-teletransport	Protocolo de Bennett, medição de Bell	🟡 Intermediário
03-Hadamard	Interpretação física, beam splitters	🟢 Básico
04-Hadamard-exp	Interferômetro de Mach-Zehnder	🟡 Intermediário
05-interference	Phase kickback, Deutsch-Jozsa	🔴 Avançado
06-grover	Busca quântica, amplificação de amplitude	🔴 Avançado
07-QFT	Transformada de Fourier, estimação de fase	🔴 Avançado
20-QML	Machine Learning quântico, VQC, classificação	🔴 Avançado

📘 notebooks/00a-math.ipynb

Fundamentos Matemáticos da Computação Quântica 🟢

• Estados Quânticos Básicos:

  • Notação de Dirac: |0⟩ (ket zero) e |1⟩ (ket um)
  • Representação vetorial como vetores coluna
  • Amplitudes α e β: interpretação e normalização (|α|² + |β|² = 1)
  • Estado genérico: |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩
  • Implementações com SymPy (simbólico) e NumPy (numérico)

• Portas Quânticas Fundamentais:

  • Porta X (NOT Quântico): Inversão de estados |0⟩ ↔ |1⟩
    • Matriz 2×2 e multiplicação matricial passo a passo
    • Demonstrações com SymPy e NumPy
  • Porta H (Hadamard): Criação de superposição (porta mais importante!)
    • Transforma |0⟩ → |+⟩ e |1⟩ → |−⟩
    • Matriz com fator 1/√2
  • Portas de Fase (Z, S, T): Modificação de fase sem alterar probabilidades
    • Aplicação prática e representação matricial
  • Analogia: Portas como rotações na Esfera de Bloch

• Superposição Quântica:

  • Conceito fundamental: qubit em múltiplos estados simultaneamente
  • Analogia da "moeda quântica" 🪙 girando no ar
  • Estados |+⟩ e |−⟩ criados pela porta Hadamard
  • Diferença entre superposição quântica e probabilidade clássica
  • Colapso da superposição durante a medição (destruição da informação quântica)
  • Conceito de "shots" (1024 medições) para obter distribuições de probabilidade
  • Natureza probabilística vs. determinística (quântico vs. clássico)
  • Referência ao experimento físico com fótons (03-mais-sobre-Hadamard.md)

• Produto Tensorial (Estados Multi-Qubit):

  • Operador ⊗ (Kronecker product) para combinar qubits
  • Construção de estados |00⟩, |01⟩, |10⟩, |11⟩
  • Representação de 2 qubits: vetor de 4 dimensões
  • Superposição de múltiplos qubits: |ψ⟩ = α|00⟩ + β|01⟩ + γ|10⟩ + δ|11⟩
  • Demonstrações passo a passo com SymPy

• Portas de Dois Qubits:

  • CNOT (Controlled-NOT): Emaranhamento e estados de Bell
    • Matriz 4×4 e funcionamento condicional
    • Exemplos: CNOT|11⟩ = |10⟩, CNOT|10⟩ = |11⟩
  • CZ (Controlled-Z): Inversão de fase condicional
    • Matriz 4×4 e operação de fase
    • Exemplo: CZ|11⟩ = -|11⟩

📙 notebooks/00b-phases.ipynb

Fases Quânticas e Portas de Rotação Parametrizadas 🟡

• Fase quântica: Fundamento da interferência quântica
• Fase global vs. fase relativa: Diferenças e observabilidade
• Estados com fases diferentes: |+⟩, |−⟩, |i+⟩, |i−⟩
• Portas de fase fixas:
  • Porta Z: Adiciona 180° de fase ao |1⟩
  • Porta S: Adiciona 90° de fase ao |1⟩
  • Porta T: Adiciona 45° de fase ao |1⟩
• Visualizações na Esfera de Bloch: Estados com diferentes fases
• Visualizações com Q-Sphere: Representação de fases por cores
• Experimento interativo: Criação de estados customizados com diferentes fases
• Portas de Rotação Parametrizadas (RX, RY, RZ):
  • Introdução: Portas com ângulos variáveis para QML e circuitos variacionais
  • Aplicações em VQC: Codificação de dados e ansatz variacional
  • Matrizes das portas: RX(θ), RY(θ), RZ(θ) com SymPy
  • Implementação manual com NumPy: Funções rx_gate(), ry_gate(), rz_gate()
  • Exemplos práticos visualizados:
    • RY: Rotação no plano XZ (uso em Ansatz e codificação de dados)
    • RZ: Rotação de fase pura (uso em Feature Maps)
    • RX: Rotação no plano YZ (criação de estados complexos)
  • Codificação de dados clássicos: Mapeamento [0,1] → estados quânticos via RY
  • Visualizações na Esfera de Bloch: Estados com 5 ângulos diferentes por porta
  • Visualizações com Q-Sphere: Representação de fases nos dados codificados
  • Relação com portas fixas: Z=RZ(π), S=RZ(π/2), T=RZ(π/4), X=RX(π)
  • Importância para QML: Parametrização, expressividade, gradientes e kernels quânticos
• Porta CP (Controlled-Phase):
  • Definição e matriz: Porta quântica de dois qubits que adiciona fase condicional
  • Implementação com NumPy: Função cphase_gate(theta) para cálculos diretos
  • Visualização com Bloch Spheres: Estados antes e depois da aplicação de CP
  • Convenção little-endian: Explicação pedagógica sobre ordenação de qubits no Qiskit

📗 notebooks/01-intro.ipynb

Introdução ao Qiskit 🟢

• Configuração e primeiros passos
• Criação de circuitos quânticos
• Portas quânticas básicas (H, X, CNOT)
• Simulação e visualização
• Estados de Bell e emaranhamento quântico
• Visualizações de estados quânticos
• Visualização na Esfera de Bloch

📕 notebooks/02-teletransport.ipynb

Protocolo de Teletransporte Quântico 🟡

• Implementação completa do protocolo de Bennett et al.
• Criação de estados emaranhados (pares de Bell)
• Medição de Bell
• Correções quânticas condicionais
• Visualizações em Bloch sphere, Q-Sphere e State City
• Cálculos matemáticos detalhados de cada etapa
• Visualização 3D interativa customizada (Q-Sphere)

🔧 notebooks/02-teletransport.qasm

💎 Implementação OpenQASM do Protocolo de Teletransporte

Arquivo QASM complementar ao notebook, pronto para uso no IBM Quantum Composer:

• Formato: OpenQASM 2.0 (padrão da indústria)

• Uso no IBM Quantum Platform:

  • ✅ Importação direta no IBM Quantum Composer
  • ✅ Execução em simuladores quânticos (ex: ibmq_qasm_simulator)
  • ✅ Execução em hardware quântico real da IBM (ex: ibm_brisbane, ibm_kyoto)
  • ✅ Visualização gráfica do circuito
  • ✅ Análise de resultados com histogramas
  • ✅ Comparação entre simulação ideal e hardware real (efeitos de ruído e decoerência)
  • ✅ Exportação para outros frameworks (Qiskit, Cirq, etc.)

• Comentários detalhados: O arquivo contém documentação completa de cada etapa do protocolo

• Educacional: Ideal para demonstrações em sala de aula ou apresentações

• Pesquisa: Base para experimentos em hardware quântico real

Como usar:

1. Acesse [quantum.ib