Wiki Computação

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====== Visão geral ======

Pode-se definir Computação Quântica como sendo uma área de pesquisa científica que tem por objetivo a implementação da computação em sistemas quânticos. Assim como a Física e a Mecânica Quântica, a Computação Quântica surgiu a partir do rompimento com a física clássica a fim de criar novos paradigmas condizentes com o universo atômico e subatômico, sendo as regras da física clássica não aplicáveis ao nível quântico, pois possuem um comportamento totalmente diferente em relação ao universo macroscópico. 


====== Principais Conceitos ====== 

===== Sobreposição Quântica =====

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A chamada **sobreposição quântica** pode ser definida como um estado de variação entre todos os possíveis estados da partícula simultaneamente antes der ser medido e tornando-se estático após a medição. Isso possibilita a verificação de todas as possibilidades apenas com a sobreposição dos elementos da amostra a ser examinada.\\ 
Um exemplo da sobreposição quântica seria o **Gato de Schrödinger**, que se fundamenta em uma experiência mental descrita por um caso hipotético. Suponhamos que um gato e um frasco de veneno fossem colocados em uma caixa contendo um contador Geiger(dispositivo para realizar medições radioativas). Se o contador Geiger identificar radiação, o frasco de veneno é quebrado, matando assim, o gato. Após a caixa ser fechada e esperar um  período de tempo, não saberíamos em que estado o gato se encontra(vivo ou morto). Como não sabemos o estado do gato até abrir a caixa, não podemos inferir uma única possibilidade, mas sim todas as possibilidades simultaneamente. Assim, o estado do gato acaba sendo um paradoxo entre estar vivo ou morto, sendo este paradoxo descrito a partir da sobreposição entre os possíveis estados em que o gato se encontra.

A sobreposição quântica é considerada "o coração da mecânica quântica" por Richard Feynman, e foi demonstrada em uma nova escala por físicos da Universidade de Viena, na Áustria, que colocaram em superposição duas moléculas quentes e complexas, compostas por quase dois mil átomos cada uma.\\
A escala é considerada importante por lidar com uma questão debatida por físicos e filósofos desde o surgimento da mecânica quântica: “onde fica a fronteira em que os estranhos efeitos quânticos deixam de funcionar e, o mundo passa a se comportar de forma ‘clássica’ com qual todos nós estamos familiarizados”. Esse experimento, com moléculas enormes, foi suficiente para colocar restrições a várias propostas de respostas a essa questão. Assim, o recorde na superposição quântica nubla a fronteira entre o quântico e o clássico, como profere o professor Yaakov Fein.
  

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===== Qubit =====

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Descoberto a partir dos estudos **Benjamin Schumacher** a respeito do spin de elétrons, o **qubit** pode ser considerado como a unidade fundamental da computação quântica, sendo diretamente relacionado com o bit(dígito binário) da computação clássica. Em contrapartida aos bits, que possuem valores estáticos 1 e 0, os qubits possuem um terceiro estado chamado de sobreposição quântica. No caso no qubit, a sobreposição quântica seria a variação simultânea entre 1 e 0. 

==== Comparação de valores quânticos ====

  * 1 qubit = 2 bits
  * 2 qubits = 4 bits
  * 3 qubits = 8 bits = 1 byte
  * 4 qubits = 16 bits
  * 5 qubits = 32 bits
  * 6 qubits = 64 bits
  * 7 qubits = 128 bits
  * 8 qubits = 256 bits
  * 9 qubits = 512 bits
  * 10 qubits = 1.024 bits
  * 13 qubits = 8.192 bits = 1 kilobytes
  * 23 qubits = 8.388.608 bits = 1 megabyte
  * 33 qubits = 8.589.934.592 bits = 1 gigabyte
  * 43 qubits = 8.796.093.022.208 bits = 1 terabyte
  * 44 qubits = 17.592.186.044.416 bits
  * 45 qubits = 35.184.372.088.832 bits
  
A partir das comparações acima, é possível formular a proporcionalidade entre qubits e bits, sendo esta: **n qubits = 2^n bits**. 

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===== Interferência =====

No universo quântico, a Interferência pode ser descrita como o resultado da superposição entre duas ondas ou mais, sendo possíveis dois casos, a **Interferência Construtiva** e a **Interferência Destrutiva**. A interferência construtiva ocorre quando as ondas se somam, tendo por resultado o aumento da amplitude da onda ou sincronismo entre elas. Em contrapartida, a interferência destrutiva ocorre a partir do encontro de ondas inversas, tendo por consequência uma subtração entres as ondas, sendo o resultado dessa subtração a diminuição da amplitude da onda ou seu anulamento. 


^  Ondas Iguais  ^  Ondas Inversas  ^  Ondas Intermediárias  ^
^  {{:c:ondas_em_fase.png?direct&200|}}  ^  {{:c:onda_fora_de_fase.jpg?direct&200|}}  ^  {{:c:intermediaria.jpg?direct&200|}}  ^
^  Onda Resultante  ^  Onda Resultante  ^  Onda Resultante  ^
^  {{:c:ondar1.jpg?direct&200|}}  ^  {{:c:ondar2.jpg?direct&200|}}  ^  {{:c:ondar3.jpg?direct&200|}}  ^

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===== Portões Quânticos =====

**Portões quânticos** são circuitos que operam na manipulação de qubits. Diferentemente de uma grande parte dos circuitos lógicos da computação clássica, os portões lógicos são **reversíveis**, ou seja, as equações do estado original se mantém as mesmas com a inversão do tempo, permanecendo sempre de forma simétrica. Um portão quântico pode ser escrito como a **matriz unitária** em relação à uma determinada base, sendo utilizada convencionalmente a base computacional **binária**.

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===== Amplitude de Probabilidade =====

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Em divergência com a computação clássica que se utiliza de pulsos elétricos para a manipulação de dados, a computação quântica utiliza-se de modificações na **amplitude das ondas** a partir de interferência. A computação Quântica quebra com o paradigma de Ciência Exata, uma vez que as manipulações referentes à amplitude das ondas tem por resultado a **modificação probabilística** de um acontecimento, ou seja, enquanto a computação clássica trabalha com valores exatos para descrever acontecimentos, a computação quântica trabalha com a probabilidade entre os casos possíveis. Tendo em vista esse quesito, a computação quântica promove uma computação mais semelhante ao **pensamento humano**.

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====== Principais Marcos ======

O início da computação quântica ocorreu na década de 50, em que foi pensada a implementação da física e mecânica quântica na computação. Em **1968**, **Stephen Wiesner** inventou a **Codificação Conjugada**, esse novo método de transmissão era baseado na mecânica quântica e tinha como objetivo criar uma nova criptografia em que a própria leitura da mensagem acabava por destruí-la. Porém a sua ideia foi rejeitada na época, servindo de base para a chamada criptografia quântica desenvolvida após alguns anos.\\
Em **1981**, **Paul Benioff** e **Richard Feynman** durante uma conferência do **MIT**, apresentaram em sua palestra "Modelos hamiltonianos quânticos de processos discretos que apagam suas próprias histórias: aplicação às máquinas de Turing", uma proposta de implementação de sistemas quânticos em computadores, prometendo uma capacidade de processamento muito superior aos modelos clássicos.\\
Alguns anos depois, em **1985**, **David Deutsch** descreve o **primeiro Computador Quântico Universal**, baseado no trabalho de **Paul Benioff** e sua **Máquina Quântica de Turing**. Esse primeiro modelo de computador quântico universal podia simular qualquer outro computador quântico.\\
Baseado nas novas leis da computação, em **1994**, **Peter Shor** desenvolveu um algoritmo quântico de fatoração que era capaz de realizar a fatoração de grandes números em uma velocidade muito superior aos algoritmos da computação clássica. Esse algoritmo recebeu o nome de **Algoritmo de Shor**, em sua homenagem.\\
Em **1996**, foi desenvolvido o primeiro algoritmo de busca em base de dados quânticos, que ficou conhecido por **SpeedUp**. Esse algoritmo, desenvolvido por **Lov Grover**, era baseado na aceleração quadrática de busca.\\
Em **1998**, **Isaac Chuang**, **Neil Gershenfeld** e **Mark Kubinec** criaram o primeiro computador quântico capaz de fazer cálculos. Esse computador fazia manipulações de 2 qubits, ou seja, era equivalente a operações utilizando 4 bits.\\
Em **2007**, a empresa canadense **D-Wave** desenvolveu o primeiro processador quânticos de **16 qubits** que recebeu o nome de **Orion**. Ele era o equivalente a um processador clássico de **65.536 bits**.\\
Em **2011**, a **D-Wave** lançou o primeiro **computador híbrido** para ser comercializado, o chamado **D-Wave-One** possuía um processador de **128 qubits**. Por mais que possuísse um processador quântico, era necessário a integração com a computação convencional, pois não possuía um caráter totalmente independente.\\
Em **2017**, o físico brasileiro **Guilherme Tosi**, juntamente com engenheiros da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália, propuseram um novo modelo arquitetônico para processadores quânticos. Esse novo modelo proponha a construção de processadores quânticos a partir de **"Flip-Flops Qubits"**, o que aumentaria a facilidade da produção em larga escala e diminuiria significativamente o custo de fabricação.\\
Em **2017**, a **Microsoft** lançou o **Q Sharp(Q#)**, uma linguagem de programação usada para expressar algoritmos quânticos, que se utiliza das operações da **Medição de Pauli**. A linguagem Q# está disponível como uma extensão baixada separadamente para **Visual Studio**. O Kit de Desenvolvimento Quântico é fornecido com um simulador quântico, chamado **Azure**, capaz de executar Q#.\\ 
Em **2019**, a **IBM** lançou sua primeira versão comercial de um computador quântico, o **IBM Q System One**.\\
Em **18 de Janeiro de 2022**, o primeiro **Annealer Quântico** europeu foi lançado na Alemanha, contendo mais de **5.000 qubits**. Um annealer quântico pode ser descrito como um processo de otimização para encontrar o mínimo global de uma função objetiva sobre um determinado conjunto de estados possíveis, por um processo que se utiliza da **flutuação quântica**, sendo esta descrita como a mudança aleatória temporária na quantidade de energia em um ponto no espaço.
    

====== Grandes Nomes ======

===== Peter Shor =====

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Nascido em 14 de Agosto de 1959, **Peter Williston Shor** é um importante matemático e pesquisador na área da computação quântica. Foi vencedor em 3º lugar na Olimpíada de Matemática dos EUA de 1977, Nesse mesmo ano, após sua formatura ele ganhou a medalha de prata na Olimpíada de Matemática na Iugoslávia. Em 1981, recebeu seu **Bacharelado em Matemática** pelo **Instituto de Tecnologia da Califórnia**. Em 1985 conquistou seu **PHD em Matemática** pelo **Instituto Tecnológico de Miami**, tendo **F. Thomson Leighton** como seu orientador e sua Tese sendo sobre **A Análise Probabilística de Algoritmos de Embalagem de Lixo**.\\
A sua grande Contribuição para com a computação quântica foi o **Algoritmo de Shor**. Esse algoritmo teve por objetivo a fatoração de números naturais a fim de descobrir se um dado número é composto ou primo. Como existem infinitos primos, a verificação ficaria inviável até mesmo para computadores convencionais, porém o algoritmo quântico de Shor consegue otimizar o processo de fatoração a uma velocidade significativa em relação aos algoritmos clássicos.\\
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**Página de Contato:**[[https://math.mit.edu/~shor/|Peter Shor's Page]] 

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===== David Deutsch =====

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Nascido em 18 de Maio de 1953, em Israel, **David Elieser Deutsch** é um importante físico britânico e pioneiro na computação quântica por formular a chamada **Máquina Quântica de Turing**. Consegui sua formação em **Física Teórica** pela **Universidade de Cambridge** e seu **Doutorado** pela **Universidade de Oxford**, tendo **Dennis Sciama** e **Philip Candelas** como seus orientadores, sendo a sua Tese sobre **A Teoria Quântica de Campo em Espaço-Tempo Curvo**.\\
A sua importante contribuição para a Computação Quântica foi a formulação de **Máquina Quântica de Turing**. Essa **Máquina Quântica Universal**, é a generalização da **Máquina de Turing Clássica**. Ela é usada para simular o funcionamento de um computador quântico, ou seja, fornece um modelo simples que captura todo o poder da computação quântica, abstraindo qualquer algoritmo, a fim de conseguir expressá-los formalmente.\\
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**Página de Contato:**[[http://www.daviddeutsch.org.uk/|David Deutsch's Page]]
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====== Aplicações ======

A Computação Quântica possibilitará a evolução em várias áreas do conhecimento, principalmente as áreas que demandam muitas simulações para a comprovação de hipóteses e teorias. Sendo algumas dessa aplicações:
  * Criptografia Quântica
  * Avanços na Neurociência, principalmente pela semelhança entre o funcionamento de computadores quânticos e as sinapses humanas
  * Avanços na prevenção de doenças por meio de simulações
  * Avanços na física teórica, sendo um vetor para novas áreas de pesquisa
  * Aumento significativo na facilidade de simulações em física experimental
  * Avanços no campo da Astronomia
  * Um novo paradigma no quesito da comunicação, seja por interações pessoais, seja por interações humano-máquina


====== Impacto Social ======

A computação Quântica pode ser de grande importância para pesquisas em diversas áreas, como Medicina, Física Quântica, Mecânica Quântica, Segurança da Informação, entre outras. Além de possibilitar um possível ropimento com o paradigma da visão de mundo que conhecemos atualmente.\\
Na **Física** e **Mecânica Quântica**, pode ser de ajuda no que diz respeito a simulações de sistemas quânticos, sendo que utilizando computadores convencionais, essas simulações podem demorar anos para apresentarem resultados promissores. Ou seja, o que um computador clássico faria em torno e alguns anos, um computador quântico faria em cerca de alguns dias.\\
Na **Medicina**, possibilitaria um melhor entendimento do funcionamento neurológico humano, assim como, simulações muito mais eficientes no que diz respeito à pesquisas que possuem simulações que possuem um grande período de simulações.\\
Na **Segurança da Informação**, possibilitaria a criação de uma criptografia impossível de ser quebrada, aumentando assim a segurança a um nível extremamente elevado, visto que, as criptografias atuais podem ser quebradas por computadores quânticos. 


====== Desafios ======

  * Fisicamente escalável para aumentar o número de qubits
  * Qubits que podem ser inicializados para valores arbitrários
  * Portões quânticos que são mais rápidos do que o tempo de decoerência
  * Conjunto de portão universal
  * Qubits que podem ser lidos facilmente
  * Fornecimento de peças para computadores quânticos
  * Dimensionamento de sistemas multi-qubit
  * Decoerência Quântica

 
====== Referências ======

  - COMPUTAÇÃO QUÂNTICA. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2020. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/Computa%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%A2ntica]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - COMPUTAÇÃO QUÂNTICA | NERDOLOGIA TECH. Nerdologia, Youtube, 2018. Disponível em:[[https://www.youtube.com/watch?v=fLN1zQOPT2E]]. Acesso em: 25 ago. 2022.
  - COMPUTADORES QUÂNTICOS EXPLICADOS. Ciência Todo Dia, Youtube, 2020. Disponível em:[[https://www.youtube.com/watch?v=92eSz2X0AlU]]. Acesso em: 25 ago. 2022.
  - SOBREPOSIÇÃO QUÂNTICA. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2022. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/Sobreposi%C3%A7%C3%A3o_qu%C3%A2ntica]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  -  GATO DE SCHRÖDINGER. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2022. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/Gato_de_Schr%C3%B6dinger]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  -  BIT QUÂNTICO. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2022. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/Bit_qu%C3%A2ntico]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - BENJAMIN SCHUMACHER. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Schumacher]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - FÍSICA QUÂNTICA: UM NOVO JEITO DE ENXERGAR AS LEIS NATURAIS. Engenharia 360, 2022. Disponível em:[[https://engenharia360.com/fisica-quantica-e-as-leis-naturais/]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - INTERFERÊNCIA. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2022. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/Interfer%C3%AAncia]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - QUANTUM COMPUTING. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - QUANTUM LOGIC GATE. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_logic_gate]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - REVERSIBLE COMPUTING. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Reversible_computing]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - TIME REVERSIBILITY. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Time_reversibility]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - PROBABILITY AMPLITUDE. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Probability_amplitude]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - EXERCÍCIOS DE ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS - FIGURA. Blogspot, 2016. Disponível em:[[https://exerciciosparaiba.blogspot.com/2016/03/probabilidade-e-estatistica-aula-5.html]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - NOÇÕES BÁSICAS SOBRE A COMPUTAÇÃO QUÂNTICA. Microsoft Azure, 2022. Disponível em:[[https://docs.microsoft.com/pt-br/azure/quantum/overview-understanding-quantum-computing]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - HISTÓRICO E CONTEXTO SOBRE A COMPUTAÇÃO QUÂNTICA. Microsoft Azure, 2022. Disponível em:[[https://docs.microsoft.com/pt-br/azure/quantum/concepts-overview]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - CONJUGATE CODING. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Conjugate_coding]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - TIMELINE OF QUANTUM COMPUTING AND COMMUNICATION. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_quantum_computing_and_communication]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - STEPHEN WIESNER. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Stephen_Wiesner]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - PAUL BENIOFF. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Benioff]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - RICHARD FEYNEMAN. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - DAVID DEUTSCH. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/David_Deutsch]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - DAVID DEUTSCH. DavidDeutsch.Org, 2022. Disponível em:[[http://www.daviddeutsch.org.uk/]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - QUANTUM TURING MACHINE. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Turing_machine]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - PETER SHOR. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Shor]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - PETER SHOR - FIGURE. Math.mit.edu, 2022. Disponível em:[[https://math.mit.edu/~shor/]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - LOV GROVER. Wikipedia, the free encyclopedia, 2018. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/Lov_Grover]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - ISAAC CHUANG. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Isaac_Chuang]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  -  NEIL GERSHENFELD. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Neil_Gershenfeld]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - D-WAVE. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2017. Disponível em:[[https://pt.wikipedia.org/wiki/D-Wave]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - FLIP-FOPS QUBITS: RADICAL NEW QUANTUM COMPUTING DESIGN INVENTED. Phys.Org, 2017. Disponível em:[[https://phys.org/news/2017-09-flip-flop-qubits-radical-quantum.html#:~:text=In%20this%20approach%2C%20a%20qubit%20%270%27%20state%20is,%22We%20call%20it%20the%20%27flip-flop%27%20qubit%2C%22%20said%20Tosi.]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - IBM Q SYSTEM ONE. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_Q_System_One]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - QUANTUM ANNEALING. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_annealing]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - QUANTUM FLUCTUATION. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_fluctuation]]. Acesso em: 27 ago. 2022.
  - COMPUTAÇÃO QUÂNTICA: ENTEDA A REVOLUÇÃO QUE ESTÁ CHEGANDO. Olhar Digital, Youtube, 2019. Disponível em:[[https://www.youtube.com/watch?v=dPjXIO-3ej0]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - Q SHARP. Wikipedia, the free encyclopedia, 2022. Disponível em:[[https://en.wikipedia.org/wiki/Q_Sharp#:~:text=Q%23%20%28pronounced%20as%20Q%20sharp%29%20is%20a%20domain-specific,Microsoft%20as%20part%20of%20the%20Quantum%20Development%20Kit.]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - THE Q# QUANTUM PROGRAMMING LANGUAGE USER GUIDE. Microsoft Azure, 2022. Disponível em:[[https://docs.microsoft.com/en-us/azure/quantum/user-guide/?view=qsharp-preview]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - SINGLE- AND MULTI-QUBIT PAULI MEASUREMENT OPERATIONS. Microsoft Azure, 2022. Disponível em:[[https://docs.microsoft.com/en-us/azure/quantum/concepts-pauli-measurements]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - Q# PROGRAM IMPLEMENTATION. Microsoft Azure, 2022. Disponível em:[[https://docs.microsoft.com/en-us/azure/quantum/user-guide/language/programstructure/]]. Acesso em: 26 ago. 2022.
  - RECORDE NA SUPERPOSIÇÃO QUÂNTICA NUBLA FRONTEIRA ENTRE QUÂNTICO E CLÁSSICO. Inovação Tecnológica, 2019. Disponível em: [[https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=recorde-superposicao-quantica-nubla-fronteira-entre-quantico-classico&id=010165190925#.YwvHQdLMLIU]]. Acesso em: 28 ago. 2022.