Calculatoarele cuantice au potențialul să revoluționeze modul cum rezolvăm cele mai grele probleme de calcul, cum ar fi crearea inteligenței artificiale destinate simulării reacțiile chimice necesare obținerii de noi materiale sau medicamente.

Producerea computerelor cuantice este însă foarte dificilă, deoarece implică componente exotice care trebuie păstrate în medii atent controlate.

Performanţa computerele cuantice pe care le avem în prezent nu o depăşeşte pe cea a computerelor obişnuite.

Împreună cu o echipă de cercetători din Marea Britanie și Franța am demonstrat că se poate construi un computer cuantic format din componente electronice convenționale din siliciu.

Această realizare ar putea permite fabricarea, pe scară largă, a computerelor cuantice mult mai curând decât ar fi posibil printr-o altă tehnologie.

Computerul cuantic

Credit: Amin Van/Shutterstoc

Puterea teoretică superioară de calcul a computerelor cuantice derivă din legile mecanicii cuantice.

Spre deosebire de computerele convenționale, care stochează informația în biți binari care pot fi ”0” sau” 1”, computerele cuantice folosesc biți cuantici (qubiţi) care pot fi o combinație de ”0” și ”1” în același timp.

Această caracteristică este o consecinţă a superpoziţiei cuantice prin care un qubit se poate afla în mai multe stări cuantice simultan, ceea ce înseamnă că poate fi în acelaşi timp ”0”, ”1” sau o superpoziţie a lui ”0” şi ”1”.

Dezvoltarea computerelor cuantice este încă la început. În prezent sunt disponibile mai multe tehnologii hardware fără că vreuna dintre ele să se fi impus.

Cele mai avansate prototipuri sunt realizate din câteva zeci de ioni prinși într-o cameră de vid sau circuite supraconductoare menţinute la o temperatură apropiată de 0 absolut.

Provocarea principală o reprezintă realizarea unor sisteme cuantice cu un număr mare de qubiţi interconectaţi care să o aibă o putere de calcul suficient de mare pentru a efectua sarcini utile mai repede decât supercomputerele clasice actuale.

În acest scop, o altă tehnologie se poate dovedi mai potrivită. Surprinzător, aceasta s-ar putea baza tot pe tranzistorul din siliciu care este prezent în toate microprocesoarele și cipurile de memorie din prezent.

Miniaturizarea continuă a tranzistoarelor din siliciu, care este descrisă de legea lui Moore, a permis fabricarea unor tranzistoare a căror lăţime este de doar câţiva zeci de atomi.

Aceasta este scara dimensională la care încep să se aplice legile fizicii cuantice. Ea reprezintă o limită fizică care a oprit orice miniaturizare suplimentară a tranzistoarelor din siliciu.

Cu toate acestea, au apărut noi utilizări ale tehnologiei siliciului, iar una din aceasta o reprezintă codificarea unui bit cuantic de informații în fiecare tranzistor de siliciu. Aceste tranzistoare pot fi utilizate ulterior pentru a construi computere cuantice la scară mare.

Prin reutilizarea tehnologiei existente din industria microcipurilor putem să profităm de investițiile tehnologice anterioare, care au fost estimate la mai multe miliarde de dolari, pentru a reduce costurile.

Aceasta înseamnă că tehnologia utilizată pentru dezvoltarea microelectronicii moderne ar putea fi adaptată pentru a construi procesoare cuantice din ce în ce mai puternice.

Cipul cuantic din siliciu

Experimentele efectuate recent de mai multe echipe de cercetare din cadrul Cambridge University, Hitachi R&D, University College London şi CEA-LETI din France, care au fost publicate în Nature Electronics, sugerează că electronica convențională și cea cuantică pot fi utilizate printr-o tehnologie hibridă.

Soluțiile constructive specifice circuitelor electronice convenționale pe bază de siliciu au fost aplicate pentru a interconecta diferite dispozitive cuantice pe un cip. Prin această tehnologie, realizarea practică a procesoarelor cuantice este cu un pas mai aproape de noi.

Dispozitivul realizat de cercetători prin această tehnologie funcționează la o temperatură apropiată de 0 absolut și folosește tranzistoare pe bază de siliciu. Unele dintre acestea sunt atât de mici încât pot fi folosite ca qubiţi, în timp ce altele sunt puțin mai mari și pot fi folosite pentru a interconecta diferiţi qubiţi.

Această arhitectură este remarcabil de asemănătoare cu cea utilizată pentru memoria cu acces aleatoriu (RAM) din laptopurile și telefoanele inteligente actuale.

În ultima jumătate de secol calculatoarele obișnuite au evoluat de la nişte dulapuri pline cu tuburi de vid până la dispozitivele portabile din prezent pe bază de microcipuri. Mai este încă un drum lung de parcurs înainte ca computerele cuantice să fie disponibile tuturor, dar istoria s-ar putea repeta.

Progresul actual al cercetărilor sugerează că primele procesoarele cuantice pot fi realizate mai întâi printr-o tehnologie exotică. Însă acum, după ce am aflat că siliciul poate fi folosit pentru a interconecta eficient qubiţii, viitoarele computere cuantice ar putea fi realizate din siliciu.

Traducere şi adaptare după Quantum computers could arrive sooner if we build them with traditional silicon technology