Mas uma vez o estudante e pesquisador W.B. Cardoso dá uma contribuição importante para o tecnosapiens escrevendo outro artigo sobre o teletransporte quântico, um tema que é demasiadamente complexo. Esse artigo visa dar uma introdução histórica sobre um experimento mental que demonstra que o resultado de uma medição realizada em uma parte de um sistema quântico, pode ter um efeito instantâneo no resultado de uma medição realizada em outra parte, independentemente da distância que separa as duas partes, o famoso Paradoxo EPR. Então, para aquele que ainda não o conhece, apresento a você Wesley Bueno Cardoso aluno de Doutorado no  Instituto de Física da Universidade Federal de Goiás. Há bastante tempo o autor estuda o Teletransporte quântico e possui vários trabalhos publicados em revistas internacionais e entre eles destaco dois sobre o assunto abordado aqui:“Accuracy of a teleported trapped field state inside a single bimodal cavity”, “Teleportation of entangled states without Bell-state measurement”. Para maiores informações sobre o autor acesse seu currículo http://lattes.cnpq.br/6845416823133684, ou entre em contato pelo e-mail wesleybcardoso@gmail.com .

Segue o artigo!

Por Wesley Bueno Cardoso

Olá prezado leitor. Recentemente publiquei aqui um pequeno resumo com o título: o que é o teletransporte quântico? Esse nome que parece ao mesmo tempo chamar a atenção e até impressionar alguns entusiastas e também amedrontar alguns devido ao uso do termo “quântico”. Nesse novo trabalho chamo a atenção de vocês leitores para um fato muito interessante que deu inicio ao desenvolvimento do que hoje conhecemos como teletransporte quântico. Afinal o que Einstein tem a ver com isso? Esse Físico brilhante parece ter dado contribuição em todas as áreas da Física…

Albert Einstein foi um físico alemão radicado nos Estados Unidos mais conhecido por desenvolver a teoria da relatividade. Ganhou o Prêmio Nobel da Física de 1921 pela correta explicação do efeito fotoelétrico. O seu trabalho teórico possibilitou o desenvolvimento da energia atômica, apesar de não prever tal possibilidade. (Mais sobre Einstein veja aqui: http://pt.wikipedia.org/wiki/Einstein)

Foto de Albert Einstein em 1947.

Em 1935, junto com Boris Podolsky e Natan Rosen, ele publicou um trabalho no Physical Review, uma das revistas mais conceituadas na área de Física até hoje, onde eles afirmavam que a descrição da mecânica quântica (estudo da natureza do mundo microscópico) estaria incompleta. Através dos questionamentos colocados nesse artigo surgiu o que hoje conhecemos como estado emaranhado, isto é, por exemplo, duas partículas podem ter seus estados quânticos* entrelaçados de forma que o conhecimento do estado de uma dessas partículas levaria ao conhecimento da outra. Ainda em 1935 Niels Borh publica um artigo explicando que a mecânica quântica estava completa, isto é, que descrevia a realidade física de sistemas quânticos, usando os mesmos questionamentos de Einstein, Podolsky e Rosen do artigo anterior. Esta nova interpretação tornou-se útil e hoje já vem sendo usada em vários experimentos que necessitam de estados emaranhados, tais como, a computação quântica, a informação quântica, o próprio teletransporte quântico ao qual estamos tratando, dentre outros.

Portanto, mesmo com seu questionamento contrário à completeza da mecânica quântica, Einstein também contribuiu para o que hoje conhecemos como teletransporte de estados quânticos.

Em breve estaremos abordando um novo tópico sobre computação e computadores quânticos.

*Um estado quântico pode ser, por exemplo, o nível energético de uma partícula, tal como o elétron em um átomo, ou a sua posição com relação a um certo ponto de referência.

REFERÊNCIAS:

[1] A. Einstein, B. Podolsky e N. Rosen, Phys. Rev. 47, p.777 (1935): http://prola.aps.org/pdf/PR/v47/i10/p777_1.

[2] N. Bohr, Phys. Rev. 48, 696 (1935): http://prola.aps.org/pdf/PR/v48/i8/p696_1

[3] Sobre computador quântico veja: http://pt.wikipedia.org/wiki/Computador_qu%C3%A2ntico

Não há dúvidas que nos últimos anos houve uma grande revolução na área da microeletrônica, essa revolução se deu na tentativa de se obter dispositivos cada vez mais eficientes. Um bom exemplo são os microprocessadores, quanto mais rápido for um processador; melhor! Não é mesmo? Uma forma ultilizada para aumenar a velocidade de operação dos circuitos integrados e, consequentemente, dos microprocessadores é a redução no tamanho do dispositivo eletrônico (em geral os transistores). Mas pensemos um pouco, até que ponto é possível diminuir o tamanho de um dispositivo? Será que é possível manipular “coisas” infinitamente pequenas? A resposta à essas perguntas é: SIM , atualmente os cientistas conseguem tal façanha! Para se ter uma ideia, o estado da arte está tão sofisticado que se pode manipular apenas um elétron, e ainda mais, pode-se usar essa manipulação para produzir dispositivos que operam com apenas um único elétron.

A arte de manipular um único elétron foi demonstrada por Millikan  no início do século passado (veja o experimento), mas só foi implementada de fato a partir da década de 80, em circuitos de estado sólido. A grande demora entre a descoberta e a implementação, foi devido às técnicas de crescimento não serem suficientemente desenvolvidas. No decurso das últimas décadas surgiram técnicas de nanofabricação sofisticadas o bastante, tornando possível um novo campo na eletrônica, a eletrônica de único elétron (Link para o transistor de apenas um elétron).

Caro leitor, devido a complexidade envolvida na implementação de um dispositivo dessa natureza, não é possível dar uma explicação nos mínimos detalhes, porém tentarei dar uma ideia geral dos fenômenos envolvidos. Então vamos ao que interessa. A região onde se dá o controle de um único elétron é tradicionalmente chamada de ilha, na figura logo abaixo são mostrados os conceitos básicos que envolvem o fenômeno.

De acordo com a figura acima, o pequeno condutor (ilha) se encontra eletricamente neutro, dessa forma a ilha não gera nenhum campo elétrico apreciável além de suas fronteiras, e, como visto na parte (a) da mesma figura, através de uma força externa , pode-se adicionar um elétron em seu interior¹. Depois da injeção do elétron na ilha, ela fica carregada com uma carga e seu campo elétrico resultante é repulsivo para outros elétrons. Isso diminui a probabilidade de outro elétron entrar na ilha, seja pela ação da força ou pelo tunelamento.

Uma vez que compreendemos como acontece o fenômeno que mantém apenas um elétron dentro de uma ilha, podemos pensar em um dispositivo. Imagine dois eletrôdos condutores separados por um isolante, e entre esses condutores uma ilha, veja a figura abaixo.

Como a distância entre os condutores e a ilha é muito pequena (obs. a figura não está em escala), haverá possibilidade dos elétrons que estão no condutor saltarem para a ilha (isso é conhecido como tunelamento), agora veja: se há algum elétron em excesso na ilha, a probabilidade de tunelamento diminui, por causa da repulsão colombiana, mas se a ilha estiver neutra a probabilidade de tunelamento aumenta. Esse efeito e chamado “Bloqueio de Coulomb” e esta é uma forma que se consegue o controle de um único elétron em um dispositivo.

A ideia básica de um dispositivo de único elétron parece ser simples, porém existe uma dificuldade muito grande na implementação de dispositivos dessa natureza quando o objetivo é obter um padrão de fabricação. Atualmente essa é uma barreira a ser vencida pela ciência, uma das esperanças dos pesquisadores para implementação de tal dispositivo, são os dispositivos orgânicos. Quem sabe nossos computadores terão processadores de materiais orgânicos nos próximos anos. Eu acredito na potencialidade dos materiais orgânicos na microeletrônica. E você, caro leitor, o que espera da microeletrônica para os próximos anos?

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1. Na prática, na maioria dos dispositivos, essa injeção de portador se dá através do tunelamento de uma barreira de potencial criada por uma fina camada isolante

P.S Em breve irei abordar o tema de materiais orgânicos na microeletrônica!

Olá caro leitor, depois de algum tempo de descanso volto novamente a tratar de um assunto que tem tido bastante interesse da comunidade que trabalha com computação de alto desempenho. Pois uma forma de conseguir o tão desejado alto desempenho em um programa é fazendo com que este utilize vários processadores durante sua execução, mas como foi dito no último artigo que escrevi ( Implementando Programas que Usam Vários Processadores ), essa não é uma tarefa tão simples! O escopo desse artigo traz algumas dicas de ferramentas necessárias para criar um programa que ao ser executado use vários processos e que esses processos comuniquem entre si.

Como foi discutido no artigo citado acima, uma forma de implementar a programação paralela é usando as bibliotecas de passagem de mensagens (MPI). Portanto, se o leitor quiser testar os programas exemplos que darei durante os próximos artigos será necessário instalar o MPI, como sou adepto da filosofia Open Source, aconselho que instale o Open MPI,( mas se estiver usando o Windows, instale o MPICH, Por sua conta e risco). Como de praxe, a instalação do Open MPI é simples, basta baixar o código fonte (código fonte), descompactar o arquivo, entrar na pasta criada pela descompactação usando o console ou um aplicativo similar e em seguida dar os comandos usais para compilação e instalação de pacotes (./configure em seguida make, e como superusuário dar o último comando, make install). O Open MPI necessita de que alguns pacotes estejam instalados; por exemplo, se você quiser escrever seus programas em Fortran, será necessário que tenha o fortran previamente instalado em sua máquina, essa mesma regra é válida para as outras linguagens que você queira escrever seus códigos, tais como C e C++. Outro pacote que o MPI usa e, portanto, deve estar instalado é o ssh, pois é a partir do ssh que é feita a comunicação entre os vários processos do programa em execução.

Vamos criar um programa simples para verificar se sua instalação foi bem sucedida, porém primeiramente vou falar de uma premissa básica sobre o MPI que é a Inicialização e a Finalização. Para se fazer referências ou chamadas à qualquer rotinas MPI, é necessário que o MPI seja inicializado e antes do término do programa principal o MPI deve ser finalizado. Para isso são definidas rotinas nas linguagens de programação, aqui vou usar o C como exemplo, porém o procedimento é o mesmo para outras linguagens (o que muda é sintaxe da chamada da rotina).

int MPI_Init( int *argc,  char ***argv); // inicialização do  MPI

//Blocos de códigos  MPI

int MPI_Finalize( ); // finalização do MPI

Esses parâmetros definidos na inicialização do MPI (argc e argv), são aqueles parâmetros recebidos tradicionalmente pela interface da linguagem C, portanto tais parâmetros devem ser passados para inicializar o MPI antes de sua utilização. O valor de retorno dessa chamada é um código de erro, sendo assim, ele indica possíveis erros durante a inicialização do MPI. Se não houve nenhum erro durante a inicialização, o valor de retorno será MPI_SUCCESS; caso haja algum tipo de erro os valores serão diferentes, porém não são especificados pelo MPI.  E assim como a inicialização, a finalização é feita pela rotina MPI_Finalize( ).

Para compreender o processo de  inicialização e finalização das rotinas MPI bem como testar se a sua instalação foi bem sucedida, copie o trecho do código seguinte em um arquivo sem formatação e salve-o com o nome NumProcesso.c em seguida compili-o. Obs. Ao copiar e colar tome cuidado com as aspas!

#include <stdio.h>
#include <mpi.h>

int main(int argc, char **argv){
int quantos, rank;
MPI_Init(&argc, &argv);
MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &quantos);
MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);
printf(“Processo %d de %d rodando \n”, rank, quantos);

MPI_Finalize();

return 0;

}

Para compilar um arquivo usando MPI basta seguir o seguinte procedimento: usando o console, entre na pasta que se encontra o arquivo e em seguida dê o comando mpicc NumProcesso.c -o processos.exe (obs. a extensão *.exe é opcional, na verdade nem é necessário usar nenhum tipo de extensão). Se a compilação ocorreu tudo certo, execute o programa recém compilado assim: mpirun -np 4 processos.exe, aqui “-np 4″ é o numero de processos que será aberto durante a execução do programa, neste caso são quatro processos. Para evitar que a cada processo aberto ele peça a senha, configure o servidor ssh para autenticação sem senha.

P.S. O Próximo artigo será: Os conceitos em que as rotinas MPI são construídas. Nesse artigo será abordado processos,  mensagens,  comunicadores e tipos de dados.

ERRATA:

Olá leitores do TecnoSapiens, em algum ponto do artigo foi afirmado que a comunicação entre os processos era feita pelo ssh, porém o ssh é utilizado para disparar os daemons responsáveis por executar os processos MPI. Normalmente a comunicação propriamente dita das primitivas MPI_ …  é feita sem segurança.

Claudinei Caetano de Souza.

Nos últimos anos houve um grande avanço na tecnologia de fabricação de dispositivos semicondutores, isso possibilitou a redução no tamanho físico e na melhoria da performance dos computadores. Atualmente essa diminuição não está ocorrendo na mesma taxa dos últimos dez anos, e, conseqüentemente, a performance computacional estaria chegando a um ponto de estagnação, pois como é sabido o desempenho dos processadores crescem com o aumento da densidade de transistores, ou seja, ele aumenta com a redução no tamanho dos dispositivos. Uma possibilidade para continuar o aumento na performance dos microcomputadores foi o inicio da implementação de computadores com vários núcleos, os chamados “multicore”. Hoje se encontra à disposição dos consumidores microcomputadores de vários processadores a um preço acessível.

Diante desse panorama é natural que tenhamos interesse em máquinas que tenham o máximo de “core” possível, porém existe um “gargalo” nessa questão, porque a maioria dos aplicativos são feitos para rodarem em apenas um processo, ou seja, os aplicativos usam apenas um processador enquanto os outros processadores ficam ociosos, ou rodam processos de outros aplicativos. Essa questão é muito mais evidente quando o programa que está sendo executado foi implementado pelo próprio usuário. É nesse instante que se vê a necessidade de construir programas que “rodem” em vários processadores, mas isso implica uma série de questões complicadas que serão abordadas a seguir.

Aquele leitor que desenvolve software para rodar em “cluster de pc’s” ou qualquer outro sistema paralelo, conhece bem as dificuldades que existem em programar um aplicativo que use vários processadores ou vários computadores. Um dos principais problemas é quando pretendemos rodar um programa em várias máquinas e estas máquinas por sua vez tem arquiteturas diferentes, e aí o que fazer? Outro problema é quanto ao número de máquinas que se pretende usar para executar um desses programas. Se mudarmos a quantidade de processadores, seria necessário reescrever todo o programa? Para resolver essas questões foi criado uma biblioteca (MPI-Message Passing Interface) que faz todo esse trabalho para o programador, assim ele não precisa ter esse tipo de preocupação. Mas isso não é assim “tão de graça”, pois para usar essa biblioteca é necessário que o programador escreva seu código de acordo com o padrão MPI.

O MPI é um padrão de biblioteca de passagem de mensagem para sistemas paralelos, ou seja, quando temos um aplicativo rodando em vários processos, em algum instante eles precisam se comunicar entre si e quem faz essa interface de comunicação é exatamente essa biblioteca (MPI).  Esse padrão foi desenvolvido procurando fornecer uma base comum de desenvolvimento de programas paralelos em plataformas distintas. Assim, usando essa biblioteca você consegue escrever um programa que rode em várias máquinas e essas não precisam ter necessariamente a mesma arquitetura. De acordo com a intenção do comitê de padronização (MPI -Forum), o padrão especifica apenas uma interface de programação e sua concretização em algumas linguagens de programação, C, C++, Fortran 77 e Fortran 90. Detalhes de implementação são deixados totalmente por conta do implementador, de forma a flexibilizar o sistema e possibilitar implementações eficientes.

Essa biblioteca padrão pode ser encontrada gratuitamente para Windows, Unix e Linux. Para Windows e Unix existe o MPICH que não darei muitos detalhes aqui, porém para o linux existe um projeto chamado OPEN MPI que será o nosso foco aqui. Nos próximos artigos mostrarei em detalhes como instalar e escrever um programa que rode em vários processos. Desde já adianto, para escrever e testar um programa implementado com MPI, não é necessário que você tenha um computador com vários processadores, a diferença é que irá rodar um processo de cada vez.

No último artigo que publiquei aqui no TecnoSapiens, intitulado como História: Semicondutor antes de 1900, tratamos das primeiras descobertas que impulsionaram as pesquisas em semicondutores. No presente artigo vou mostrar as descobertas subseqüentes que levaram à tecnologia que temos atualmente.

Durante estes anos de desenvolvimento cientifico se destacaram algumas pesquisas que conduziram ao atual avanço tecnológico que vivemos nos dias de hoje. O início do século XX, foi fundamental para o desenvolvimento da microeletrônica, pois houve um enorme progresso na teoria física com o desenvolvimento da mecânica quântica, feita por Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger e outros, notadamente durante a década de 20. Em paralelo a este fato, foi proposto um primeiro conceito de desenvolvimento de um transistor, o transistor de efeito de campo (FET-Field Efect Transistor) em estado sólido.

No ano de 1936 a Bell Labs decide criar um grupo de pesquisa específico para estudar e desenvolver dispositivos semicondutores, com o objetivo de fabricar o transistor de efeito de campo. Um outro grupo bastante ativo nesta área e que contribuiu significativamente com o trabalho na Bell Labs foi o grupo da universidade de Purdue. Em 1940, R. Ohi identifica pela primeira vez semicondutores de Si tipo p e tipo n. No mesmo ano, J. Scaff e H. Theuerer mostram que tanto o nível quanto o tipo de condutividade do Si, é devido à presença de impurezas (dopagem). Durante a década de 40 a eletrônica tinha por base as válvulas termoiônicas e relês eletro-mecânicos. Mas as válvulas termoiônicas eram frágeis, tinha um custo de produção elevado e de alto consumo de energia, enquanto os relês eletro-mecânicos com as mesmas características das valvulas e tinham comutação muito lenta. Estas características incentivaram novas pesquisas em torno dos semicondutores Silício e germânio.

Estas limitações destes dispositivos motivaram o reinício da pesquisa e desenvolvimento de novos dispositivos de estado sólido. Assim, em 1946, a Bell Labs recria seu grupo de pesquisa em estado sólido, agora sob liderança de William Shockley, concentrando esforços na pesquisa dos semicondutores Ge e Si e de transistores de efeito de campo. Nesta época, um dos pesquisadores do grupo, Bardeen, sugere uma explicação pelo insucesso na obtenção do transistor FET baseado na alta densidade de estados de superfície dos semicondutores. Mas persistindo na pesquisa da invenção do FET, Bardeen e Brattain descobrem por acaso o efeito de transistor bipolar, no final de 1947 foi demonstrado o efeito transistor por J. Bardeen, W. Shockley e W. H. Brattain (trabalho premiado com o Nobel de física de 1956 – Lista de físicos laureados com o Prêmio Nobel) em um cristal de germânio.

O primeiro transistor, construído por Bardeen e Brattain conhecido como transistor de ponto de contato criado em dezembro de 1947 na Bell Labs.

Na década de 50, o efeito de resistência negativa em junções tipo p com tipo n altamente dopadas foi observado por Esaki, levando à descoberta do efeito quântico de tunelamento. A criação do diodo túnel teve tamanha importância no percurso de desenvolvimento dos dispositivos que garantiu para Leo Esaki o Prêmio Nobel de 1973. Ainda na década de 50 foi criado o primeiro dispositivo que continha, em um único bloco de Si, um transistor, um capacitor e um resistor, interconectados através de fios soldados nos contatos, ver figura abaixo, abrindo caminho para o desenvolvimento de circuitos integrados CI. Outra contribuição muito

Primeiro circuito integrado feito por Jack S. Kilby*.

importante de Esaki, foi a criação de heteroestruturas, em 1969-1970, que separavam elétrons de impurezas ionizadas, de forma a reduzir o espalhamento e aumentar a mobilidade dos portadores. Na década de 60 mais precisamente em 1965 Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, percebeu que o número de transistores dos circuitos integrados cresceria exponencialmente, dobrando a cada dois anos (depois observou-se este crescimento a cada um ano e meio), e previu que esta tendência deveria continuar. A esta tendência denominou-se lei de Moore.

O desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de crescimento de materiais com alta qualidade, tais como deposição por epitaxia do tipo MBE-Molecular Beam Epitaxy e deposição por vapor químico do tipo MOCVD-Metalorganic Chemical Vapor Deposition, tornou-se possível o crescimento de camadas monoatômicas individuais uma após a outra, produzindo redes cristalinas artificiais e interfaces quase perfeitas. Com os grandes avanços obtidos nas décadas de 80 e 90, a tecnologia de crescimento de cristais semicondutores se encontra atualmente em um estágio de desenvolvimento bastante elevado. Com o uso destas tecnologias de crescimento de cristais, juntamente com as avançadas técnicas de nanolitografia e de corrosão química (Chemical etching), é possível, com uma engenharia de estrutura de banda, produzir as mais variadas nanoestruturas semicondutoras, as quais devido às escalas de tamanho envolvidas, tem o comportamento dos portadores (elétrons e buracos) governado pela mecânica quântica. Isso não só tornou possível o avanço de dispositivos semicondutores, como também manteve a lei de Moore vigente até os dias atuais.

Quando pensamos em desenvolvimento tecnológico, logo vem em nossas cabeças a descoberta do transistor por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley nos Laboratórios da Bell Telephone em dezembro de 1947! Porém pouco se diz como se deu essa descoberta. Afinal, tudo começou em 1947? Quantos neurônios foram “queimados” para construir a base para essa grande descoberta? E algo importante, de quem foram esses neurônios? O que foi implementado antes do transistor? Existia comunicação via rádio antes do transistor? Pensando nessas questões fiz uma breve revisão histórica sobre a utilização de semicondutores antes de 1900 e apresento a você, caro leitor!

Embora as pesquisas em semicondutor não demorassem muito tempo para chegar ao desenvolvimento atual (60 anos de intensas pesquisas), historicamente temos relatos muito antigos, como o de 1833, uma descoberta feita por Michael Faraday que abriu caminho para as pesquisas em semicondutores. Faraday descobriu que o composto sulfito de prata tem um coeficiente negativo de resistência com a temperatura* e esta é uma propriedade típica nos materiais semicondutores. O oposto é verdadeiro para um condutor, pois este tem um coeficiente positivo de resistência. Uma outra contribuição importante para o campo da física de semicondutor foi a descoberta do físico francês, Alexander Edmond Becquerel. Em 1839 Becquerel relatou que tinha observado o efeito fotovoltáico em eletrodos de platina coberto por cloreto de prata ( AgCl), este foi o primeiro dispositivo fotovoltáico relatado, a fotovoltagem foi gerada no contato do semicondutor AgCl com o condutor Ag (prata). A próxima década importante para pesquisa de semicondutores foi a década de 1870, durante esse período o selênio foi a grande descoberta e trouxe muitos avanços para a evolução dos dispositivos.

O desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos iniciou-se em 1874, quando Karl Ferdinand Braun construiu um retificador com um cristal de Galena, ou como é comumente conhecido, sulfeto de chumbo (PbS), soldado com um fio metálico**. Braun observou que o fluxo de corrente total foi alterado, passando a depender da polarização da tensão aplicada e das condições da superfície do material, desta forma ele descobriu o caráter assimétrico da condução elétrica entre metais e semicondutores. A primeira observação de efeito fotovoltáico em sistemas contínuos foi feita em 1876 e a substância de semicondutor era novamente o selênio. W. G. Adams, junto com seu estudante R. E. Day investigava as propriedades fotoelétricas do selênio em Cambridge e eles descobriram que se iluminassem uma junção de selênio e platina teriam o efeito fotovoltáico. A partir dessas descobertas surgiram  novos dispositivos, e importantes avanços em pesquisas relacionadas com a Física da matéria condensada possibilitaram a construção de aparatos que se tornavam cada vez mais eficientes e com aplicações tecnológicas notáveis.

Em 1883, Charles Edger fritts, um eletricista de Nova York, construiu uma pilha solar de selênio (atualmente as pilhas solares são usadas no lugar das baterias nos instrumentos tais como satélites e calculadoras). Aqui deve ser lembrado que este era o primeiro dispositivo com uma área grande e feito de junção semicondutor-metal; entretanto, era muito ineficiente em converter energia solar em energia elétrica. Embora as observações mais significativas do século XIX viessem durante o período 1870-1885, os semicondutores ainda não tinham recebido nenhuma aplicação com finalidade prática. Após a demonstração de Hertz da existência de ondas eletromagnéticas em 1888, um número grande de cientistas começou há de se envolver com descobertas recentes, e o telegráfo via ondas se tornou uma realidade praticável. Entre elas, Jagadish Chandra Bose era a primeira pessoa à introduzir semicondutores para a recepção de ondas eletromagnéticas.

Assim termina a história do semicondutor no século XIX. A saga do semicondutor começa com o sulfito de prata de Faraday em 1833, e no fim do século incorpora o século seguinte com glória, com aplicação introdutória dos semicondutores para finalidades de Telégrafos via ondas feita por Bose.

Veja também

História: Semicondutor a partir de 1900

Obs.: Em breve continuarei esse histórico sobre semicondutores, relatarei os acontecimentos a partir de 1900 até os dias atuais!

Mais uma vez estamos aqui para continuar a discussão sobre simulações computacionais. Para isso convidei novamente o estudante de pós-graduação Weslley Souza Patrocinio, aquele que escreveu, aqui no TecnoSapiens, o artigo  A Elite das Simulações Computacionais: Os Supercomputadores, para nos dar mais algumas informações sobre ferramentas que são usadas em computação de alto desempenho. Como já foi dito no outro artigo, ele é formado em Física computacional e mestrando na mesma área no Instituto de Física da USP – São Carlos, para maiores informações acesse seu currículo Lattes. Segue o artigo!

Por Weslley Souza Patrocinio

Olá caros leitores. Estou aqui para continuar a fazer um panorama dos equipamentos usados em simulações computacionais no meio científico/tecnológico. Em nosso último encontro falamos sobre o que há de high-tec no mercado: os supercomputadores. Entretanto, apenas uma fatia muito pequena dos pesquisadores/desenvolvedores tem acesso a essas máquinas turbinadas, afinal não é todo mundo que tem um limite de US$ 100.000.000,00 no cartão de crédito pra comprar um brinquedinho desses. E acredite, a falta de poder computacional é o limitante de bons resultados de pesquisa em muitas simulações.

Cabe à “massa” então usar de alternativas factíveis a nossa (sim, eu também faço parte dela) realidade financeira. Um dos caminhos mais explorados pelos usuários da computação de alto desempenho (HPC – high performance computing) é “copiar” a idéia de um supercomputador, construindo uma máquina composta por vários computadores existentes no mercado (off the shelf). Entretanto, existem duas possibilidades de construir uma máquina dessa forma, e ambas as formas são bastante confundidas entre elas; os clusters e os grids.

Os clusters são um conjunto de computadores (onde cada computador é chamado “nó”) construídos especificamente para os cálculos envolvidos em uma dada simulação/modelagem, ou seja, são máquinas extremamente aplicadas. Embora seja constituído de arquiteturas “comuns”, geralmente é usada tecnologia de ponta. Atualmente quase todo cluster montado é composto por processadores multi-cores, muitos e muitos gigaBytes de memória, rede Gigabit Ethernet e por aí vai. Fora o hardware envolvido, um cluster envolve a utilização de bibliotecas e protocolos de comunicação entre os processadores para utilizar todos os nós da melhor forma possível.

Os grids já incluem uma idéia (bastante interessante, por sinal) um pouco diferente dos clusters. Um grid seria um cluster “heterogêneo”, ou seja, cada nó possui uma arquitetura diferente, e muitas vezes um nó é um computador pessoal instalado no seu escritório, ou seja, os nós não são máquinas dedicadas. Com a evolução da internet, muitos grids têm sido construídos com os computadores de usuários comuns. Um software é instalado em seu computador, e quando ele estiver ocioso, alguns cálculos são realizados nele, sem atrapalhar suas tarefas em sua própria máquina. Um dos grids mais famosos baseado nesta idéia é o FightAIDS@Home, usado para buscar a cura da AIDS, constituído por mais de 170 mil nós.

Dessa forma, os pequenos núcleos de pesquisa e desenvolvimento podem contribuir com os avanços tecnológicos, e quem sabe crescerem até o ponto de realizar cálculos em um supercomputador, ou então desenvolver novas tecnologias de cálculos massivos (como o GP/GPU, FPGA e outros).

Vimos então algumas das alternativas mais usadas para aumentar o poder computacional com baixo custo. Caso algum leitor tenha limitação de recursos computacionais para realização de alguns cálculos desejados, pode usar dos artifícios discutidos acima para minimizar tal fato. Que tal construir um grid com os computadores do seu laboratório/sala? Está aí uma boa chance de entrar de cabeça no mundo da computação de alto desempenho, e de brinde você ganhará tempo no processamento de dados.

Como nosso objetivo aqui no TecnoSapiens é discutir ciência e tecnologia sob todos os aspectos, em breve vamos abordar temas muito importantes e atuais, tais como comunicação quântica, criptografia quântica e computação quântica. E como pontapé inicial, convidei um de nossos leitores que trabalha com Teletransporte Quântico para nos contar o que é e como é implementado este espantoso experimento físico que é uma das bases para os processos de comunicação quântica. Então, caros Leitores, apresento a vocês Wesley Bueno Cardoso aluno de Doutorado no  Instituto de Física da Universidade Federal de Goiás. Ele trabalha com Teletransporte desde a graduação e possui vários trabalhos publicados em revistas internacionais e entre eles destaco dois sobre o assunto abordado aqui:“Accuracy of a teleported trapped field state inside a single bimodal cavity”, “Teleportation of entangled states without Bell-state measurement”. Para maiores informações sobre o autor acesse seu currículo http://lattes.cnpq.br/6845416823133684.

Segue o artigo!

Por Wesley Bueno Cardoso

Você já ouviu falar em teletransporte? Já assistiu Jornada nas Estrelas?

Muito do que ocorre na ficção científica acaba se tornando realidade. Armas sofisticadas, computadores portáteis com o qual você fala e vê a pessoa com quem fala, etc. O mesmo não pode ser aplicado ao teletransporte de matéria (ato de apagar um objeto em um local e reconstruí-lo em outro local distante).

Porém, em 1994 um grupo de Físicos que trabalham para a IBM (sigla de International Business Machines Corporation) propuseram um esquema para realizar teletransporte de estados quânticos*. Essa proposta consiste em codificar uma informação em um elétron, por exemplo, e através de um efeito puramente quântico, chamado “emaranhamento**” (que ocorrem entre duas ou mais partículas muito pequenas, tais como em elétrons), a informação codificada é transmitida para outro elétron distante mesmo sem haver interação entre esses elétrons. Isso não ocorre, por exemplo, como a transmissão de informação via onda de rádio. Simplesmente não há fluxo de informação na direção da partícula ao qual se irá teletransportar o estado.

Essa proposta foi realizada experimentalmente pela primeira vez em 1997 usando fótons (partículas de luz). Desde então muitos outros experimentos confirmando o teletransporte foram feitos usando diferentes tipos de partículas.

Aparato experimental usando em teletransporte quântico por um grupo de pesquisadores Australianos.

Espera-se que esses esquemas possam ser utilizados para a construção de sistemas de comunicação mais seguros e para a construção de computadores quânticos.

Em resumo o termo “teletransporte quântico” é usado para o teletransporte de informação e não de matéria. Para se construir uma máquina que fizesse o teletransporte de matéria, sem nenhuma modificação, seria necessário que essa máquina reconstruísse a informação contida em cada partícula do objeto ao qual se quer teletransportar. Isso segundo a teoria quântica atual não seria possível, pois ao medir um o estado de uma partícula quântica ela seria perturbada (imagine que essa medida fosse feita através de luz; quando a luz incidir em um elétron ela o desloca, mudando seu “estado”).

Quer saber mais sobre o assunto?

http://ciencia.hsw.uol.com.br/teletransporte2.htm
http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/
D. Bouwmeester, J.-W. Pan, K. Mattle, M. Eibl, H. Weinfurter, A. Zeilinger, Experimental Quantum Teleportation, Nature 390, 6660, 575-579 (1997).
W. B. Cardoso, Teleportation of GHZ-States in QED-Cavities without the Explicit Bell-State Measurement, Int. J. Theor. Phys. 47, p.977 (2008).

Para continuar a discussão sobre um artigo que foi publicado no TecnoSapiens, contemplando simulação computacional, convidei um de nossos leitores que é formado em Física computacional e mestrando na mesma área no Instituto de Física da USP – São Carlos, para nos dar algumas informações importantes sobre a elite da Simulação Computacional. Este é um tema atual e o Brasil possui algumas dessas “feras” operando atualmente, e entre elas, o Netuno da Pebrobrás e UFRJ, que está entre os 500 maiores supercomputadores do mundo. Portanto apresento a você, caro leitor,  Weslley Souza Patrocinio, nosso colaborador. Segue seu artigo!

O histórico dos computadores sempre envolveu situações aplicadas que precisavam ser resolvidas de forma rápida. Considerado o primeiro computador, o ENIAC foi criado para cálculos de balística em plena Segunda Guerra Mundial. Desde então, o computador evoluiu tremendamente, e novas tecnologias foram surgindo conforme a demanda de aplicações a serem resolvidas, e novas descobertas eram usadas no desenvolvimento de computadores mais modernos, o que criava um ciclo auto-suficiente.

O primeiro supercomputador a ficar mundialmente famoso foi o CRAY, por iniciar o que seria chamado de Processamento Vetorial, ou seja, uma mesma operação é aplicada em uma grande quantidade de dados, ao mesmo tempo, desde que não exista dependência entre os dados. A arquitetura destes computadores é extremamente complicada e exótica, comparada às arquiteturas mais comuns. O desempenho dos computadores era extremamente alto, entretanto seu preço chegava a algumas unidades de milhões de dólares. Tais arquiteturas exóticas, não só as desenvolvidas pela Cray Inc., dominaram por cerca de duas décadas o mercado da supercomputação.

Com o avanço da microeletrônica e dos circuitos integrados miniaturizando os componentes de um computador, uma nova vertente de supercomputadores surgiu: os compostos de milhares de processadores simples, as máquinas Massivamente Paralelas. Tais computadores têm um custo menor do que as arquiteturas vetoriais, e envolvem processadores já bem conhecidos pelos programadores, o que facilitava a programação.

Hoje em dia há um revezamento entre as duas vertentes de supercomputadores. Observando a lista dos supercomputadores mais rápidos do mundo (http://www.top500.org) vemos um domínio da IBM, com duas arquiteturas diferentes: O Blue Gene e o Roadrunner.

O Blue Gene nasceu de uma parceria entre a IBM, instituições de pesquisa (academia e indústria) para desenvolver um computador com alto custo/benefício quando aplicado a simulações de biologia, farmácia e outras aplicações que necessitassem de processamento massivo de dados. A estratégia de desenvolvimento foi criar um computador composto por milhares de processadores simples. Em alguns casos, o número de processadores pode chegar a centenas de milhares. Até junho de 2008 o Blue Gene ocupava o topo da lista do top500 (com um desempenho de cerca de 500 TFLPOS ), sendo desbancado pelo Roadrunner. Hoje, 4 entre os 10 computadores mais rápidos são Blue Gene’s.

Já o Roadrunner foi desenvolvido paralelamente pela IBM e Sony. A idéia era desenvolver uma nova arquitetura, que seria aplicada no mercado dos games (Playstation 3) e em outras aplicações com demanda em processamento dinâmico. Da parceria com a Sony nasceu o Cell, o qual consitui o Playstation 3 (daí vem o uso destes videos-game para processamento científico). Depois veio a idéia de construir um supercomputador composto por Cell’s, de onde nasceu o Roadrunner, o computador mais rápido do mundo atualmente, atingindo a casa dos petaFLOPS. Só por curiosidade, Roadrunner é o nome original do tradicional desenho animado Papa-léguas.

De acordo com os projetos em andamento da IBM, a tendência é usar a tecnologia de chips de alta densidade e de múltiplos core’s para construir chips onde cada unidade é constituída de dezenas ou centenas de processadores, praticamente um supercomputador. Com isso, devemos ver máquinas com desempenhos assombrosos, contribuindo com o desenvolvimento de novas tecnologias, as quais provavelmente serão usadas em novos computadores, mantendo assim o ciclo de desenvolvimento.

Weslley Souza Patrocinio

Contato: weslley.1985 em gmail.com

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Os quatro maiores supercomputadores operando no Brasil

Neste artigo vou tratar da necessidade de bons computadores para cálculos científicos, porque para nós que trabalhamos com simulações computacionais, computadores com grandes capacidades de processamento são iguais a dinheiro! Quanto mais se tem, mais se quer!

Convido-lhe, caro Leitor, a fazer comigo uma breve retrospectiva sobre a evolução tecnológica das últimas décadas. Qualquer pessoa com 18 anos de idade presenciou um grande avanço na tecnologia, este avanço se deu principalmente na área da microeletrônica (graças aos transistores).

Tudo começou por volta de 1970 quando surgiram novos equipamentos e novas técnicas de crescimento de materiais, estas técnicas ficaram cada vez mais refinadas o que possibilitou a fabricação de dispositivos cada vez menores. Para se ter uma idéia, hoje é possível crescer camadas de diferentes materiais umas sobre as outras (como se fossem vários discos empilhados), sendo que cada uma dessas camadas tem uma largura da ordem de alguns angstrons (um angstron é aproximadamente um fio de cabelo dividido por 100 000 vezes). Não se assuste! É isso mesmo, esses lasers que vemos por aí, por exemplo, possuem uma “coisinha” chamada “poço quântico” que tem algumas dezenas de angstrons de largura e que é a peça chave para o seu funcionamento.

Em conjunto com a evolução dos dispositivos semicondutores e, conseqüentemente, dos computadores, surgiu uma nova área de pesquisa cientifica conhecida como Simulação Computacional. Esta é uma área muito abrangente, pois além de ser amplamente utilizada em engenharia de fluídos (no Brasil uma das principais fontes de financiamento de modelagem computacional para fluídos é a Petrobrás), hoje em dia se faz simulações em quase todos os campos da ciência, tais como Matemática, Física, Química e Biologia. Essa nova ferramenta, Simulação Computacional, é um recurso usado por grupos de cientistas do mundo todo, pois os resultados obtidos por Simulações são muito mais baratos que os resultados obtidos diretamente de experimentos (em alguns casos os experimentos não são factíveis, porém Simulações Computacionais são perfeitamente permitidas), isso torna possível que o avanço científico seja cada vez mais rápido, pois resultados de experimentos podem ser previstos a partir de modelagem computacional, o que minimiza os custos e diminui substancialmente o tempo gasto em novas descobertas.

Durante muitos anos as Simulações que obtinham resultados importantes eram todas feitas em computadores de alto desempenho, os supercomputadores. Assim, os grupos de pesquisas que não dispunham de grandes quantidades de investimentos não podiam obter bons resultados, pois para se fazer uma modelagem mais realística possível do sistema estudado, era necessário (e o é até os dias atuais) uma quantidade muito grande de processamento e isso aumentava o custo em muitas ordens de grandeza. Porém, em 1995, foi implementado o primeiro cluster (um conjunto de computadores pessoais que trabalham em paralelo para resolver uma determinada tarefa), sendo o custo do processamento em cluster aproximadamente 10% do processamento em supercomputadores. Dessa forma os grupos de pesquisas mais “pobres” conseguiam obter melhores resultados.

Essas idéias de processamento paralelo foram amplamente difundidas e atualmente as indústrias que fabricam processadores passaram a utilizá-la, e já é facilmente possível encontrar no mercado microcomputadores com vários processadores. Porém não parou por aí, sistemas com multiprocessadores estão por toda parte (PlayStation 3) e principalmente naqueles onde se usam muitos cálculos matriciais, como é o caso dos Games (formação de imagens tridimensionais). De olho no mercado de Games, as indústrias de placas de vídeo entraram nessa empreitada e assumiram a posição de pioneiras em processamento de dados, hoje já se encontram placas de vídeo com mais de 100 núcleos (processadores) (http://www.nvidia.com.br/page/home.html).

Como todo pesquisador que trabalha com Simulação quer cada vez mais velocidade de processamento para aperfeiçoar seus resultados e baratear custos, não demorou muito surgir a idéia de se fazer cálculos usando clusters com PlayStation (veja essa matéria: cluster de playstation 3). O surgimento de novas placas de vídeo com alta capacidade de processamento de imagem, abriu novas possibilidades aos cientistas e foram absorvidas rapidamente por essa comunidade para fazer parte de suas ferramentas de Simulações Computacionais. Atualmente no Brasil, alguns grupos têm se mostrado interessados em adaptar seus programas de Simulação para usarem CUDA e GPGPU (Quer saber o que é CUDA e GPGPU? Acesse: CUDA, GPGPU e cuda o poder da gpu nvidia para processamento).

Será que teremos uma nova revolução na área de Simulações Computacionais? Ou será que em meio a essa rápida evolução surgirá um computador quântico e toda essa metodologia conhecida mudará completamente?

Em breve serão publicados aqui três artigos: Computador Quântico, Informação quântica e Criptografia Quântica.