Calculatorul cuantic. Noţiuni de bază şi perspective de dezvoltare
Se afirmă adeseori că prin utilizarea calculatoarelor cuantice se vor eradica boli prin descoperirea de noi produse farmaceutice, se vor prelucra toate datele lumii și că vor fi găsite soluții la probleme precum ar fi sărăcia și inegalitatea socială!
Cu toate acestea, s-ar putea ca computerele cuantice să nu facă nimic din toate acestea.
Chiar dacă deocamdată nu știm cum vor arăta computerele cuantice în viitor, este bine să fim încântaţi de perspectiva dezvoltării acestora.
National Science Foundation (NSF), o agenţie guvernamentală din SUA ce sprijină proiectele de cercetare fundamentală, îşi propune să susţină dezvoltarea computerelor cuantice în laboratoarele sale de cercetare. În acest scop NSF va investi 15 milioane de dolari într-un proiect pe 5 ani.
NSF a anunțat recent proiectul Software-Tailored Architecture for Quantum co-design (STAQ) în cadrul căruia fizicieni, ingineri, oameni de știință și cercetători de la Duke University și de la alte șase universități (inclusiv MIT și University of California-Berkeley) îşi vor uni forţele pentru a crea primul calculator cuantic din lume care să nu necesite condiţii speciale de funcţionare.
Acest computer cuantic ar face trecerea de la stadiul de concept către un computer cuantic practic şi accesibil pentru o utilizare industrială şi în scop guvernamental.
Să ne reamintim pentru început care sunt principalele diferențe dintre un calculator clasic și un calculator cuantic. În timp ce un calculator clasic utilizează biți, care pot fi 0 sau 1, un computer cuantic foloseşte biți cuantici sau qubiţi, care pot fi 1 și 0 în același timp prin superpoziția cuantică.
Circuitele cuantice care utilizează aceşti qubiţi pentru transferul informațiilor cuantice sunt numite porți logice cuantice. La fel cum un circuit electronic clasic controlează semnalele electrice dintr-un computer actual, porțile logice cuantice transferă qubiţii individuali prin fotoni sau ioni.
Pentru dezvoltarea unor computere cuantice practice, oamenii de știință trebuie să înţeleagă cum pot fi îmbunătăţite componentele hardware şi software ale acestora. Acest lucru înseamnă că trebuie găsite soluţii pentru creşterea numărului de qubiţi utilizaţi de aceste sisteme şi pentru îmbunătăţirea stabilităţii acestora.
Pentru a înţelege mai bine ce înseamnă proiectul STAQ, Kenneth Brown, inginer în cadrul Duke University responsabil de proiectul STAQ, a răspuns la câteva întrebări adresate de Futurism.
Futurism: Multe dintre informaţiile despre computerele cuantice sunt teoretice şi foarte abstracte. Deşi există o mulțime de cercetări care ar putea conduce la realizarea unor computere cuantice practice, nu se întrevede nicio direcţie clară despre cum se poate atinge acest obiectiv. Ce va face echipa dumneavoastră în plus faţă de ce au încercat alţi cercetători?
Kenneth Brown: Cred că este important să menționez că computerele cuantice pot fi realizate dintr-o mare varietate de lucruri. Să ne reamintim că s-a obţinut prima poartă logică cuantică din siliciu.
Pentru a înțelege ce presupune construcția unui computer cuantic putem face o analogie cu calculatoarele clasice.
Pentru realizarea primelor computere clasice s-a folosit un sistem de roţi dinţate, aceasta fiind cea mai bună tehnologie pe care o aveam la momentul respectiv. A urmat etapa utilizării tuburilor de vid și apoi a apărut primul tranzistor de siliciu, care atunci când a fost inventat nu a putut concura cu tuburile de vid.
Uneori cred că oamenii uită cât de uimitoare a fost această descoperire.
Problemele cu care ne confruntăm în realizarea computerului cuantic sunt oarecum similare. Există o mulțime de modalități de a reprezenta informația cuantică.
În prezent există două tehnologii bazate pe qubiţii supraconductori și qubiţii pe bază de ioni prinși într-o capcană ionică. Ele sunt diferite și au plusuri și minusuri, dar în grupul nostru ne-am concentrat asupra acestor qubiţi pe bază de ioni.
În cazul qubiților pe bază de ioni prinși în capcană toţi qubiţii sunt conectaţi direct. Acest lucru este foarte diferit de ce se întâmplă în cazul unui sistem supraconductor unde trebuie să realizăm legătura cu qubiţii din apropiere. Avem deja planuri concrete să ajungem la un număr de 30, 32 qubiţi şi dorim în perspectivă să ajungem până la 64 de qubiţi, dar pentru aceasta sunt necesare alte cercetări.
Futurism: Cum va deveni acest calculator „practic” în comparație cu ce au realizat alţi cercetători care lucrează în domeniul computerelor cuantice?
Kenneth Brown: Cred că există un interes industrial care impulsionează construirea unor computere cuantice practice. Noi ne-am propus să realizăm un dispozitiv care să le permită cercetătorilor să testeze diferite idei cu privire la cum ar trebui să fie arhitectura unui computer cuantic şi ce aplicaţii s-ar putea realiza pe baza ei.
Ca exemplu, cercetătorii de la IBM au dezvoltat propriul lor computer cuantic, dar modul cum interacţionăm cu el este dificil. Cei care utilizează acest serviciu online de calcul cuantic nu pot rezolva decât anumite sarcini, deoarece nu au posibilitatea reprogramarii computerului cuantic IBM.
Este evident că nu putem vorbi în acest caz despre optimizarea acestui computer atâta timp cât cercetătorii nu îl pot personaliza conform dorinţelor.
Futurism: Ce va însemna pentru un utilizator obişnuit apariţia computerului cuantic?
Kenneth Brown: Cred că pe termen lung calculatoarele și comunicaţiile cuantice vor schimba modul cum ne ocupăm de informațiile codificate pe Internet.
Proiectarea la nivel molecular, prin care se pot obţine materiale cu proprietăți deosebite, dar şi medicamente noi, este foarte importantă. Dacă cu ajutorul computerului cuantic se vor putea calcula eficient și precis proprietățile moleculare, atunci acest lucru ar putea schimba cu adevărat materialele și medicamentele viitorului.
În ceea ce priveşte calculatorul de acasă, cei mai mulți oameni îl folosesc pentru a viziona filme pe Netflix și ocazional să scrie o scrisoare, un e-mail sau orice altceva. Aceștia trebuie să știe că computerele cuantice nu sunt destinate utilizării în acest scop.
În consecinţă, este dificil de spus care va fi impactul apariţiei computerului cuantic asupra utilizatorului obişnuit. Atunci când calculatoarele au fost construite pentru prima dată, oamenii au avut aceeași impresie. Credeau că acestea vor fi doar pentru oamenii de știință care lucrează în laboratoare. Și, evident, nu mai este cazul.
Futurism: Cine va putea folosi calculatorul cuantic?
Kenneth Brown: Când încerc să explic calculatorul cuantic pentru cineva care cunoaşte fizica care stă la baza construcţiei sale atunci mă concentrez pe explicarea modului cum funcţionează partea de calcul.
În viitor, probabil că vom avea nevoie de oameni instruiți în ambele discipline. Avem nevoie de utilizatori care să cunoască fizica pe baza căreia funcţionează computerul cuantic şi care să ajute la dezvoltarea componentei software, dar şi de informaticieni care să cunoască modul de funcţionare al unui astfel de calculator.
Acesta este motivul pentru care vrem să implicăm specialişti din industrie cărora să le oferim instrumentele necesare pentru a putea să cerceteze şi să optimizeze computerul cuantic.
Futurism: Ce alte cercetări mai sunt necesare înainte ca primul computer cuantic practic să fie construit?
Kenneth Brown: Avem câteva idei. Într-un calculator clasic folosim semnale electrice pentru transmiterea informaţiei, ceea ce trebuie să facem şi într-un computer cuantic, dar într-un mod diferit.
Qubiţii mesager care transportă informații către alte părți ale computerului trebuie să fie de același tip cu qubiţii care formează computerul cuantic? Nu suntem încă siguri.
O posibilitate pentru scalarea computerelor cuantice o reprezintă arhitectura CCD pe baza căreia lanțurile de ioni sunt transferate de la un punct la altul.
Există câteva lucrări teoretice privind posibilitatea interconectării fotonilor între lanțurile ionice. Ideea în cazul tuturor tipurilor de supercomputere de acest gen este de a folosi fotoni ca qubiţi mesager. Astfel putem avea, în principiu, o mulţime de mici calculatoare cuantice, conectate prin acești fotoni, care se comportă colectiv ca un calculator mai mare.
Cred că dacă reuşim să realizăm acest lucru la lățimea de bandă de care avem nevoie, în următorii cinci ani, ar fi grozav, dar probabil că va dura mai mult.
Futurism: Cum veţi ști că faceţi progrese evidente? Aveți puncte de referință pentru a ști că sunteți, să zicem, la jumătatea drumului până la obiectivul propus?
Kenneth Brown: În ceea ce privește hardware-ul, putem crește numărul de qubiţi și putem obține porțile cuantice, acestea putând fi considerate progrese tangibile.
Cred că putem ajunge la mai mult de 50 de qubiți. În prezent Google deține un sistem cu 72 de qubiţi.
În același timp, vom lucra la algoritmii și aplicațiile pe care dorim să le implementăm pe hardware-ul existent, astfel încât acestea să fie cât mai puțin vulnerabile la zgomotul cuantic.
Dacă starea cuantică este intactă la transferul printr-un canal cuantic de la un transmiţător la un receptor, atunci spunem că nu există zgomot cuantic.
Futurism: Care este cea mai greşită concepție despre computerele cuantice?
Kenneth Brown: Singura concepție greșită este că un computer cuantic este magic. Computerele cuantice nu sunt magice, ele nu ne permit să rezolvăm toate problemele.
Atunci când ne referim la calculul clasic admitem că există probleme uşoare și probleme foarte grele, ceea ce înseamnă că nu le putem rezolva în timpul polinomial (un termen din informatică folosit pentru a desemna dacă un computer este capabil să execute rapid o anumită sarcină).
În prezent se pare că de multe ori încercăm să rezolvăm probleme pe care nu le putem rezolva în timpul polinomial, obţinând doar aproximări pentru soluţia căutată.
Computerele cuantice vor permite rezolvarea unora dintre problemele pe care nu le putem rezolva cu ajutorul calculatoarelor clasice, dar ele nu vor rezolva toate tipurile de probleme pe care le avem.
Sursă: Futurism