Calculatoarele cuantice în 2023: cum funcționează, ce fac și ce perspective au

În iunie, un director de la IBM a susținut că computerele cuantice intră în faza de „utilitate”, în care dispozitivele experimentale de înaltă tehnologie devin utile. În septembrie, cercetătorul Cathy Foley din Australia a mers atât de departe încât a declarat „zorii erei cuantice”.

În octombrie, fizicianul australian Michelle Simmons a câștigat premiul de știință al națiunii pentru munca sa de dezvoltare a calculatoarelor cuantice pe bază de siliciu.

Evident, computerele cuantice stârnesc un interes deosebit, dar ce sunt ele mai exact?

Ce este un computer cuantic?

O caracteristică de bază a computerelor este tipul de numere cu care lucrează.

Calculatoarele digitale pe care le folosim zilnic se bazează pe numere întregi, reprezentând informaţia ca șiruri de 0 şi 1 pe care le rearanjează după reguli complicate. Există, de asemenea, computere analogice, care reprezintă informaţia ca numere care variază continuu (numere reale), care sunt prelucrate prin intermediul unor circuite electrice, rotoare sau chiar fluide în mișcare.

În secolul al XVI-lea, matematicianul italian Girolamo Cardano a inventat un alt tip de număr numit număr complex pentru a rezolva sarcini aparent imposibile, cum ar fi găsirea rădăcinii pătrate a unui număr negativ. În secolul al XX-lea, odată cu apariția fizicii cuantice, s-a dovedit că numerele complexe descriu în mod natural și detaliile fine ale luminii și materiei.

În anii 1990, fizica și informatica s-au intersectat atunci când s-a descoperit că unele probleme puteau fi rezolvate mult mai rapid cu algoritmi care lucrează direct cu numere complexe, așa cum sunt codificate în fizica cuantică.

Următorul pas logic a fost să construim dispozitive care funcționează cu lumină și materie pentru a face acele calcule pentru noi în mod automat. Aceasta a fost nașterea calculului cuantic.

De este important calculul cuantic?

De obicei, atunci când ne gândim la calculatoare avem în vedere aplicaţiile practice unde acestea ne ajută, precum o foaie de calcul, transmiterea unor videoclipuri în direct sau găsirea unei rute către aeroport. Cu toate acestea, toate acestea sunt, în cele din urmă, probleme de calcul, exprimate în limbaj matematic.

Deoarece calculul cuantic este încă un domeniu în curs de dezvoltare, majoritatea problemelor pe care știm că le vor rezolva computerele cuantice sunt formulate într-o matematică abstractă. Unele dintre acestea vor avea aplicații în „lumea reală” pe care încă nu le putem prevedea, dar altele vor avea un impact imediat.

O aplicație timpurie va fi criptografia. Calculatoarele cuantice vor putea sparge algoritmii de criptare a internetului de astăzi, așa încât vom avea nevoie de o tehnologie criptografică rezistentă la calculul cuantic. O criptografia sigură și un internet complet cuantic ar folosi tehnologia de calcul cuantic.

Google a susținut că procesorul său cuantic Sycamore poate depăși computerele clasice la anumite sarcini. Credit : Google

În știința materialelor, calculatoarele cuantice vor fi capabile să simuleze structuri moleculare la scară atomică, făcând mai rapidă și mai ușoară descoperirea de materiale noi și interesante. Acest lucru poate avea aplicații semnificative în baterii, produse farmaceutice, îngrășăminte și alte domenii bazate pe chimie.

Calculatoarele cuantice vor accelera, de asemenea, rezolvarea multor probleme dificile de optimizare, în care dorim să găsim „cea mai bună” modalitate de a face ceva. Acest lucru ne va permite să abordăm probleme la scară mai mare în domenii precum logistică, finanțe și prognoza meteo.

Învățarea automată este un alt domeniu în care computerele cuantice pot accelera progresul. Acest lucru s-ar putea întâmpla indirect, prin accelerarea subrutinelor în computerele digitale sau direct dacă computerele cuantice pot fi utilizate ca mașini de învățare.

Care este situaţia actuală?

În 2023, calculul cuantic se mută din laboratoarele de subsol ale departamentelor de fizică universitare în secţiile industriale de cercetare și dezvoltare. Mișcarea este susținută de carneţelele de cecuri ale corporațiilor multinaționale și ale capitaliștilor de risc.

Prototipurile unor computere cuantice realizate de IBM, Google, IonQ, Rigetti și alții sunt încă departe de perfecțiune.

Mașinile de astăzi sunt de dimensiuni modeste și susceptibile la erori, în ceea ce a fost numită faza de dezvoltare „cuantică zgomotoasă la scară intermediară”. Natura delicată a sistemelor cuantice minuscule înseamnă că acestea sunt predispuse la multe surse de erori, iar corectarea acestor erori este un obstacol tehnic major.

Este nevoie de o instalație de răcire complexă pentru a menține temperaturile de lucru extrem de scăzute necesare unui computer cuantic supraconductor. Credit: IBM

Sfântul Graal în acest domeniu este un computer cuantic la scară mare care își poate corecta propriile erori . Numeroase centre de cercetare și întreprinderi comerciale urmăresc acest obiectiv prin diverse abordări tehnologice.

Supraconductori, ioni, siliciu, fotoni

Abordarea principală actuală se bazează pe utilizarea unor bucle de curent electric în interiorul unor circuite supraconductoare pentru a stoca și manipula informațiile. Aceasta este tehnologia adoptată de Google, IBM , Rigetti și alții.

O altă metodă, tehnologia „ionului prins în capcana”, funcționează cu grupuri de particule atomice încărcate electric, folosind stabilitatea inerentă a particulelor pentru a reduce erorile. Această abordare a fost condusă de IonQ și Honeywell.

Imagine artistică a unui computer cuantic pe bază de semiconductori. Credit: Silicon Quantum Computing

O a treia cale de explorare este izolarea (confinarea) electronilor în particule minuscule de material semiconductor, care ar putea fi apoi utilizate în tehnologia binecunoscută a siliciului utilizată în calculul clasic. Silicon Quantum Computing a adoptat această soluţie.

O altă direcție este utilizarea particulelor individuale de lumină (fotoni), care pot fi manipulate cu o înaltă fidelitate. O companie numită PsiQuantum proiectează circuite complicate de „lumină ghidată” pentru a efectua calcule cuantice.

Nu există încă un câștigător clar din rândul acestor tehnologii și s-ar putea ca o abordare hibridă să fie cea care se va impune în cele din urmă.

Unde ne va duce viitorul cuantic?

Încercarea de a prognoza viitorul calculului cuantic este dificilă, dar există câteva repere despre care mulți cercetători sunt de acord că, probabil, vor fi atinse în următorul deceniu.

O mai bună corectare a erorilor este o astfel de predicţie. Ne așteptăm să vedem o tranziție de la era dispozitivelor zgomotoase la dispozitivele mici care pot susține calculul cuantic prin corectarea activă a erorilor.

O altă predicţie este apariția criptografiei post-cuantice. Aceasta înseamnă stabilirea și adoptarea unor standarde criptografice care nu pot fi sparte cu ușurință de computerele cuantice.

Senzorul cuantic, ar fi, de asemenea, la orizont.

Demonstrarea unui „avantaj cuantic” autentic va fi, de asemenea, o evoluție probabilă. Aceasta înseamnă o aplicație convingătoare în care un dispozitiv cuantic este indiscutabil superior alternativei digitale.

Un obiectiv pentru următorul deceniu este crearea unui computer cuantic la scară mare, fără erori (cu corecție activă a erorilor). Atunci când acest lucru va fi realizat, putem fi încrezători că secolul 21 va fi într-adevăr „era cuantică”.

Traducere după Quantum computers în 2023: how they work, what they do, and where they’re heading