Ce este un computer cuantic si cat de entuziasmati ar trebui sa fim?

2018 in Stiinta

Nu vor sta prea curand pe biroul nostru de lucru si, cel mai probabil, nu vor ajunge sa fie purtate in buzunar, ca un telefon mobil. Sunt extrem de fragile si trebuie mentinute la temperaturi apropiate de 0 absolut. Computerele cuantice nu se aseamna cu PC-ul obisnuit, atat de familiar - sunt masinarii cu totul speciale, capabile de calcule extrem de complexe. E ca si cum ai trece de la alb-negru la spectrul complet de culori.

Computer cuantic - IBM

In ultimul timp se vorbeste foarte mult despre computerele cuantice. Apar stiri despre cum "vor schimba lumea" si cum "deschid perspective si dimensiuni noi". Universitatile occidentale isi promoveaza cu obstinatie prototipurile de microprocesoare cuantice la care lucreaza sau aplicabilitatile ideilor de mecanica cuantica in silicon si propun noi si noi teorii. Dar nu suntem inca lamuriti - Cum functioneaza? Ce face de fapt un computer cuantic? Cine lucreaza cu ele, de fapt? Si poate cea mai importanta intrebare: De ce ar trebui sa ne pese?

Calculatoarele cuantice intorc pe dos regulile ciberneticii

Indiferent de ce ati citit sau de ce v-a trecut pe la ureche, in momentul de fata, computerele cuantice se afla, mai mult sau mai putin, in stadiul in care era tehnica de calcul in anii '50, cand calculatorul era un monstru ce ocupa o incapere intreaga si functiona cu ajutorul lampilor vidate. Totusi, ele ar putea reprezenta o noua revolutie in informatica. Doar ca nu e inca... sigur.

Inainte de a vorbi despre ce este un computer cuantic si de ce este important, ar trebui sa vorbim putin despre teoria matematica a mecanicii cuantice. Poate parea un demers ezoteric, dar regulile mecanicii cuantice sunt universale si guverneaza particulele ce alcatuiesc lumea in care traim, inclusiv felul cum functioneaza aparatele electronice pe care le folosim zi de zi.

Cand ceva este doua lucruri in acelasi timp

In lumea in care traim, suntem obisnuiti sa spunem ca ceva este un anumit lucru. O moneda, de exemplu, poate fi cap sau pajura. Dar in clipa in care monedei i se aplica legile cuanticii, ea ramane intr-o stare perpetua de rotatie, in aer. Pana nu aterizeaza, nu vom sti, uitandu-ne la ea, daca este cap sau pajura. Practic, ea este ambele lucruri in acelasi timp.

In schimb stim un lucru despre moneda: exista o probabilitate ca ea sa devina fie cap, fie pajura. Sa zicem, 20% probabilitate de a fi cap si 80% sa fie pajura. Cum poate fi un obiect fizic descris astfel, stiintific vorbind?

Mecanica cuantica ne arata un lucru extraordinar: ca particulele, cum ar fi electronii, se comporta ca o unda, in vreme ce undele luminoase se pot comporta aidoma particulelor. Particulele au lungime de unda. Cel mai simplu experiment ce demonstreaza acest lucru este cel al fantei duble:

Experimentul fantei duble

Experimentul Dublei Fante

Daca pui un separator cu doua fante paralele intre un ecran dotat cu un detector si un fascicul de particule, rezultatul va fi un sablon ciudat de benzi, numit sablon de interferenta.

La fel ca undele, particulele-unda ce patrund prin una din fante vor interactiona cu cele ce trec prin cealalta fanta. In unele cazuri acestea se vor anula reciproc fara sa produca vreun rezultat, in altele semnalul detectat va fi amplificat. Interesant este ca acelasi sablon va aparea si in cazul in care trimiti electronii pe rand, unul cate unul.

Daca ar fi sa descriem printr-o ecuatie matematica aceste particule-unda inainte ca ele sa loveasca ecranul detector, am avea exact ecuatia ce descrie moneda mai sus pomenita (inainte de a ateriza - cap sau pajura) care poate fi scrisa asa:

|φ> = α|0> + β|1>

Pare putin infricosator, dar tot ceea ce trebuie sa retinem este ca aceasta ecuatie enumera proprietatile concrete ale particulei, fara a preciza care dintre ele va fi rezultatul. Ecuatia poate fi folosita pentru a calcula probabilitatile proprietatilor particulei.

Si pentru ca o astfel de matematica implica folosirea numerelor complexe, ce contin radacina patrata a lui -1 sau i, cum mai este cunoscut, ecuatia nu descrie doar probabilitatea ca moneda sa fie cap sau pajura, ci si o probabilitate avansata, ce include rotatia si orientarea fetei monedei.

Din toata nebunia asta de matematica reies cateva lucruri la fel de nebunesti si anume:

  1. superpozitia cuantica - faptul ca, in aer, moneda este si cap si pajura in acelasi timp;
  2. interferenta cuantica - probabilitatea ca undele sa se suprapuna si sa se anihileze reciproc;
  3. incarcatura cuantica - ca si cand am lega intre ele mai multe monede, alterand probabilitatea unor anumite rezultate.

Aceste trei proprietati sunt utilizate de catre computerele cuantice pentru a obtine tot felul de noi algoritmi.

Cum functioneaza un computer cuantic?

Regulile ce stau la baza calculelor facute de calculatoarele clasice nu s-au schimbat, sunt cam aceleasi de mai bine de 60 de ani. Folosim tot biti si octeti si aceleasi operatii logice. Dar lucrurile par a se schimba, caci calculatoarele cuantice intorc pe dos toate aceste lucruri.

Calculatorul traditional face calcule folosind biti, care sunt inregistrati ca sarcini electrice de catre procesor, sau ca mici adancituri pe un CD. Un bit poate fi doar doua lucruri: fie 0, fie 1. Orice lucru care are doar doua optiuni de stare reprezinta un bit. Tot ce inseamna tehnica de calcul este facut atribuind valori si relationand biti, prin operatii de genul: "daca acest bit este un 0 iar acesta este un 1, fie ca acest al treilea bit sa fie un 1, in caz contrar, sa fie 0" si asa mai departe.

Qubit-ul - prescurtare de la bit cuantic (quantum bit) - este ca un bit obisnuit, dar care este in acelasi timp si 0 si 1 (asta, inainte sa te uiti la el). Este asemanator monedei ce se invarte in aer. Un computer cuantic functioneaza ca si cum ai da cu banul, cu mai multe monede - care respecta regulile cuantice complicate ale superpozitiei, interferentei si incarcarii.

Computerul se va folosi de acesti qubiti printr-o versiune a probabilitatilor cuantice ce include si ceea ce se poate intampla in momentul in care ii accesezi sau "te uiti" la ei. Odata ce acest misterios qubit este citit, el inceteaza sa mai fie misterios si devine bit definit. Calculatiile cuantice sunt facute prin pregatirea qubitilor (ca si cum ai adauga o greutate monedei noastre din exemplu pentru a manipula probabilitatea rezultatului), apoi facandu-i sa interactioneze unii cu altii (ca si cum ai da cu banul cu mai multe monede legate cuantic) si apoi realizand masuratori asupra lor (moneda se va opri din rotatie si produce un rezultat).

Daca acest proces este facut corespunzator, toate aceste interactiuni "in aer" ar trebui sa dea cel mai bun rezultat sau valoare la intrebarea pusa calculatorului.

Calculatiile cuantice sunt speciale. Pentru ca matematica ce sta la baza lor foloseste numere complexe, va rezulta o versiune speciala a probabilitatilor - nu doar "cap" sau "pajura", ci una ce include si rotatia si orientarea monedei-qubit.

Pe masura ce arunci monedele in aer, ambele fete ale monedelor vor interactiona intre ele, se vor lovi, deasemenea si orientarile lor, influentand rezultatul probabilistic final. Uneori se vor lovi si se vor anihila reciproc, facand un rezultat mai putin probabil. Alteori se vor impinge unele pe altele, crescand probabilitatea unui alt rezultat. Vor avea un comportament de interferenta.

Ideea ce sta la baza unui computer cuantic este sa exploatezi acest fenomen cuantic la o scara foarte mare, sa coregrafiezi un sablon de interferenta in care totul se anuleaza reciproc, in afara rezultatului cautat. De aceea, ne dorim ca acesti qubiti sa interactioneze intre ei "in aer".

Pentru un Observator, rezultatul va avea o forma familiara, exprimata in biti. Toate procesele de mecanica cuantica vor fi discrete si nu se intampla la vedere.

La ce foloseste un calculator cuantic? De la chimie la criptare.

Faimosul fizician Richard Feynman este creditat ca fiind primul om ce si-a imaginat un computer cuantic, intr-o lucrare publicata in 1982 - un calculator ce foloseste macanica cuantica in rezolvarea problemelor.

Doar ca se afla in situatia ingrata, ipotetica, a unui muzician ce isi doreste sa interpreteze o simfonie complexa intr-o notatie muzicala cu totul noua, fara sa se fi inventat inca un instrument muzical la care sa poata canta. Si, pe deasupra, fara ca simfonia sa fi fost compusa macar.

Teoreticienii au scris intre timp compozitia (algoritmii), in vreme ce fizicienii au lucrat la constructia instrumentului (computerul cuantic in sine).

In regula, dar ce avem deocamdata sunt doar calculatoarele acestea ciudate, carora nu le poti prezice dinainte rezultatul (output-ul). Acum trebuie sa invatam si cum sa ne folosim de ele. In prezent se fac cercetari in mai multe institute si companii unde oamenii de stiinta lucreaza la folosirea unui computer cuantic pentru rezolvarea anumitor probleme, in detrimentul calculatorului clasic.

In mod evident, bitii cuantici sunt foarte potriviti pentru a crea simulari ale unor lucruri ce se supun, la randul lor, legilor mecanicii cuantice - in speta, atomii si moleculele. Oamenii de stiinta ar putea folosi qubitii pentru a crea modele complete ale moleculelor si ale interactiunilor dintre ele.

Acest lucru ar putea ajuta companiile farmaceutice la crearea de noi medicamente, sau la designul unor materiale noi, cu proprietati prestabilite, inainte de a pune piciorul intr-un laborator.

Cercetatorii au reusit sa realizeze deja astfel de modele cu ajutorul calculatorului clasic, dar computerele cuantice ar face acest proces mult mai eficient, mai repede. Pentru a reprezenta in intregime molecula de cofeina, inclusiv regulile mecanicii cuantice pe care le respecta particulele sale individuale, ar fi nevoie de 160 de qubiti, spun cercetatorii IBM.

Molecula cofeinei

Molecula de cofeina

Daca incerci sa faci acest lucru cu ajutorul computerelor clasice, la acelasi nivel al detaliilor, ai avea nevoie de 1048 de biti - numar aproximativ egal cu cel al atomilor din care este constituita Terra (undeva intre 1049 si 1050 de atomi).

Compania IBM a reusit sa realizeze modelul moleculei de hidrura de beriliu folosind un un computer cuantic de 6 qubiti. Cercetatorii Laboratorului National Lawrence Berkley au reusit sa determine toate starile de energie ale atomului de hidrogen cu ajutorul unui computer cu doar 2 qubiti.

Exista o serie de algoritmi ce pot aduce, in opinia cercetatorilor, un avantaj fata de calculatoarele clasice. Algoritmul lui Grover, de exemplu, optimizeaza cautarea. Alti cercetatori lucreaza la aplicatii ale computerului cuantic in domenii cum ar fi Inteligenta Artificiala, sau in optimizarea unor probleme de genul: "gaseste cel mai inalt munte din urmatorul sir de munti" sau "gaseste drumul optim dintre aceste doua puncte separate de n rauri traversate de m poduri".

Dar poate cel mai discutat algoritm pentru computerul cuantic este cel numit Algoritmul lui Shor, ce ar putea schimba fundamental modul actual de criptare a datelor.

Un fel de Razboi Rece

Dezvoltat de catre Peter Shor in 1994, are scopul de a transforma numerele in factori de numere prime. Vorbim despre factori matematici, unde 15 este produsul factorilor 3 si 5. Inmultirea in sine nu este o operatie dificila in informatica, dar descompunerea numerelor mari in produs de factori primi este o sarcina mult mai laborioasa.

Criptografia moderna se bazeaza pe asa ceva, deci datele noastre sunt in mare masura securizate sau criptate folosind conversia lor in numere, prin inmultirea lor si apoi asociindu-le o "cheie" - instructiuni despre cum trebuie inmultite. Metoda RSA de incriptare este folosita astazi aproape peste tot, de la parole pana la operatiuni bancare sau manipularea datelor pe Facebook.

Dar daca un computer cuantic ar reusi sa ruleze Algoritmul lui Shor si sa sparga criptarea, aceasta veche metoda ar deveni nesigura. Spargerea criptarii clasice RSA este inca la zeci de ani departare, dar oamenii de stiinta sunt deja preocupati in a gasi noi metode criptografice, potrivite erei informatice post-cuantice. Alti cercetatori se zbat pentru a reusi sa sparga ei codarea RSA cu ajutorul computerului cuantic, asta inainte sa o reuseasca un hacker.

Pastrand proportiile, e un fel de Razboi Rece, in care fiecare se inarmeaza din cauza ca si inamicul o face.

Cum arata un qubit?

Pentru a realiza un calculator obisnuit e nevoie de tranzistori, minusculi comutatori electrici ce inmagazineaza biti. In mod similar, pentru un computer cuantic e nevoie de componente hardware ce pot inmagazina qubiti.

Cheia construirii unui computer cuantic este in a gasi o modalitate de a modela un sistem cuantic ce poate fi controlat - sa poti cu adevarat sa setezi probabilitatile si orientarile "monedelor". Acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unor atomi prinsi (blocati) cu ajutorul laserelor, a fotonilor sau prin alte sisteme.

Dar, deocamdata, toti cei care au venit in fata comunitatii stiintifice cu un computer cuantic l-au construit cu ajutotorul superconductorilor - echipamente electronice speciale ce sunt mentinute la temperaturi extrem de scazute pentru a functiona. Acestia arata ca niste microprocesoare extrem de mici, doar ca trebuie depozitate in camere frigorifice racite la temperaturi apropiate de 0 absolut.

Microprocesor cuantic de 8-qubiti

Un microprocesor cuantic de 8-qubiti al Lawrence Berkeley National Labs

Acesti qubiti superconductori sunt capabili de a ramane in stari cuantice (sa opereze la nivel cuantic) pentru o lunga perioada de timp. Exista si alte tipuri de sisteme, ce pot ramane cuantice pentru un timp si mai indelungat, dar sunt mai lente.

Exista 3 feluri de qubiti construiti din astfel de componente electronice, diferentiati de felul in care au fost facuti si de proprietatile lor fizice:

  1. qubiti flux;
  2. qubiti charge (incarcare);
  3. qubiti phase (faza).

Toti se bazeaza pe ceea ce poarta numele de Jonctiunea Josephson pentru a functiona. O Jonctiune Josephson este facuta dintr-o bucata de material non-superconductor pusa intre doua fire superconductoare, prin care electronii circula fara nicio rezistenta si incep sa prezinte efecte cuantice, in cadrul unui sistem suficient de mare.

Prin manipularea curentilor trecuti prin aceste fire superconductoare fizicienii pot controla si seta qubitii. Astazi, astfel de sisteme sunt inca foarte fragile. Qubitii se transforma rapid in biti obisnuiti daca sunt supusi oricaror interferente (noise - zgomot), cat de mici. Deasemenea, fiecare qubit adaugat sistemului produce o complexitate si mai mare.

Cele mai mari calculatoare cuantice functionale astazi au mai putin de 20 de qubiti, cu o singura exceptie, Copmuterul D-Wave, cu ai sai 2000 de qubiti, dar acesta functioneaza pe un cu totul alt principiu, cum vom vedea mai tarziu.

Un calculator cuantic va avea intotdeauna erori

Sa faci calcule concrete folosind qubiti ramane o provocare. Calculatoarele clasice beneficiaza de corectii de eroare dar si de avantajul calupurilor de biti ce pot prelua functiile altora, in caz ca acestea dau gres. Pentru ca un computer cuantic sa faca acest lucru, ar trebui sa aiba qubiti in plus, dedicati corectiei erorilor.

Dar natura mecanicii cuantice in sine face corectia erorilor mult mai dificila decat in cazul computerului clasic. Ar fi nevoie de aproximativ 2000 de qubiti ce lucreaza in tandem pentru a crea un qubit "de nadejde", ferit de erori. Dar ne apropiem de acest deziderat. S-au facut progrese semnificative in ultimii ani in aceasta directie, greu de imaginat in trecut.

Un calculator cuantic va avea intotdeauna erori, dar din fericire, realizarea unor modele de molecule nu necesita un grad ridicat de acuratete si de aceea cercetatorii merg inainte cu aceste simulari folosind calculatoare cu doar cativa qubiti.

Cand cerintele teoretice se intalnesc cu realitatile experimentale

Construirea unor qubiti mai performanti si avansul cercetarilor stiintifice ne aduc mai aproape de ziua cand vom putea realiza calculatoare cu procesoare mai puternice, nu doar cu cativa qubiti, ca cele de azi. Ne situam acum la o rascruce, unde se intersecteaza nevoile teoretice cu realitatile experimentale.

Cine se ocupa de problema?

Universitati, laboratoare nationale si companii ca IBM, Google, Microsoft sau Intel, toate incearca sa realizeze sisteme de qubiti in circuite logice (la fel ca bitii obisnuiti), ce nu depasesc, pe moment, 20 de qubiti.

Companiile folosesc computere clasice pentru a simula sisteme cuantice, dar se pare ca exista o limita, undeva la 50 de qubiti - recent IBM a realizat simularea unui sistem de 56 de qubiti, ce a avut nevoie 4,5 terabyti de memorie intr-un calculator clasic.

Fiecare din aceste companii are propria abordare in dezvoltarea de masini superconductoare. IBM are o abordare pe termen lung, se spera ca, intr-o buna zi, compania va putea pune la dispozitie un computer cuantic ce sa fie accesat in cloud de calculatoarele clasice. Microsoft vine tot cu un plan pe termen lung in fata clientilor sai, bazat pe hardware scalabil.

Se zvoneste ca anul acesta, Google va atinge suprematia cuantica cu ajutorul unui calculator de 49 sau 50 de qubiti. Aceasta asa-zisa suprematie presupune gasirea unui algoritm cu care calculatorul cuantic va castiga intotdeauna in fata celui clasic - un algoritm pentru care o solutie clasica nu poate fi gasita, mai exact. Dar asta ar fi doar una dintre provocarile ce trebuiesc depasite.

Cel mai probabil, calculatorul cuantic va trebui sa rezolve o sarcina fortata, o problema artficial creata, ce nu pare importanta din perspectiva clasica, dar care ii va convinge pana si pe cei mai sceptici dintre contestatari ca solutia cuantica nu este doar un vis nerealizabil. Google pastreaza insa tacerea asupra progreselor facute, cel putin deocamdata.

Majoritatea cercetatorilor vad anul 2020 sau 2021 ca fiind cel in care computerul cuantic va ajunge la indemana consumatorilor, corporatiilor sau cercetarii stiintifice.

O companie controversata, D-Wave, are insa o cu totul alta abordare, numita "Calculatie Cuantica Adiabatica". In loc sa se bazeze pe 10-20 de qubiti, calculatorul prezentat de aceasta companie se bazeaza pe 2000 de qubiti, dar nu foloseste circuite logice ca cele ale celorlalti competitori, ci se concentreaza pe rezolvarea unei singure probleme.

Computer cuantic D-Wave

Un computer cuantic apartinand companiei D-Wave

E vorba de optimizare, cum ar fi gasirea celei mai bune solutii dintre o multime de solutii bune, sau gasirea celui mai bun traseu pentru un taxi ce se deplaseaza din punctul A in punctul B, ramanand cat mai departe posibil de celelalte taxiuri de pe traseu. Probleme de genul acesta pot fi foarte utile in domeniul finantelor.

Diferenta fata de competitori este ca D-Wave nu trebuie sa aiba qubiti corectati de erori - eludeaza aceasta problema ruland algoritmul de cat mai multe ori pe secunda. Nu este un calculator ce poate rezolva orice problema, ci doar anumite probleme, ramanand, totusi, singura masina cuantica capabila de acest lucru.

Majoritatea specialistilor sunt de acord ca D-Wave este un computer cuantic; nu se stie insa daca, de fapt, un computer clasic nu este mai potrivit pentru a rezolva acest tip de probleme. Unii utilizatori afirma ca D-Wave "bate" algoritmii clasici. In orice caz, NASA, Google sau Laboratorul National Los Alamos se numara printre clientii care fie au achizitionat unul, fie au inchiriat putere de calcul de la D-Wave.

Concluzii

Ziua in care calculatorul cuantic va fi la indemana oricui este inca departe - exista mult entuziasm, dar suntem inca la inceput. Corectia erorilor, dar si transmiterea informatiei cuantice intre calculatoare aflate la distante mari sau stocarea ei in memorie pe termen lung reprezinta probleme ce inca asteapta rezolvare.

Probabilitatea ca o companie start-up sa apara de nicaieri cu un model de computer cuantic super avansat este si ea foarte mica. Cei mai buni specialisti in domeniu sunt deja angrenati in rezolvarea problemei, la fel cum in anii 40' cei mai de seama fizicieni au fost absorbiti in Proiectul Manhattan. Constructia unui computer cuantic cu adevarat utilizabil ramane o imensa provocare tehnologica, deci nu vom vedea vreunul construit intr-un garaj, pe undeva.

In concluzie, nu poti detine un computer cuantic in ziua de azi si foarte probabil asta nu se va intampla niciodata. Cel mai probabil, in viitor, cand PC-ul tau va avea nevoie de calcule cuatice, va apela la unul, fara sa-ti dai seama. S-ar putea sa auzim in urmatorii ani despre beneficiile computerului cuantic in domenii cum ar fi biochimia, dar alte domenii vor mai avea de asteptat, poate chiar 20 de ani. Si inca nu avem dovada clara, de necontestat, ca un calculator cuantic poate fi mai bun decat unul clasic. Deocamdata...

Computer cuantic IBM