Calculatoarele cuantice promit să revoluționeze societatea și să ofere răspunsuri la unele dintre cele mai dificile probleme cu care se confruntă umanitatea, întrebări la care e imposibil de răspuns cu ajutorul tehnicii de calcul actuale. Cu toate că primii pași spre construirea unui calculator cuantic au fost deja făcuți, iar teoria care le definește funcționarea a fost postulată încă din anii ’70, cercetătorii mai au mulți pași de parcurs până la a construi un calculator cuantic cu adevărat scalabil.
Pentru a ne explica provocările din domeniu, am vorbit cu Daniel Ciocîrlan, un tânăr cercetător de la Universitatea Politehnica București. Daniel este absolvent al unui masterat în știința calculatoarelor și medaliat la Olimpiada Internațională de Fizică. Lesne de înțeles că Daniel a îmbinat pasiunea pentru fizică și computer science în studiul calculatoarelor cuantice. În lucrările sale de licență și disertație, Daniel a studiat particularitățile calculatoarelor cuantice D-Wave și a implementat, printre altele, o soluție de spargere a unui sistem de securitate și o tehnică de machine learning, concepute special pentru calculatoarele D-Wave.
Ce este quantum computing?
Quantum computing este acea ramură din știința calculatoarelor care se ocupă cu înțelegerea și folosirea calculatoarelor cuantice. În același fel în care știința calculatoarelor a obținut atâtea rezultate, pe care le vedem în fiecare zi la fiecare click sau la fiecare atingere a telefoanelor noastre deștepte, tot așa, ramura de quantum computing studiază proprietățile calculatoarelor cuantice pentru a le putea folosi unde calculatoarele „normale”, digitale nu fac față.
Cum funcționează un calculator cuantic și cât de diferit este de un calculator binar obișnuit?
Calculatoarele noastre binare, obișnuite, funcționează pe baza fizicii clasice și a logicii binare, iar procesoarele noastre folosesc în momentul de față miliarde de tranzistoare pentru a translata această teorie în aplicații practice. Fiecare tranzistor se comportă ca un mic „întrerupător” și poate fi la un moment dat doar într-o singură stare: blocat sau în stare de conducție.
Noi atribuim aceste două stări unui singur bit de informație, ce poate avea doar două valori: 0 sau 1 logic. Felul în care sunt organizate intern circuitele într-un procesor și felul în care coordonăm fluxul de informație face un procesor atât de util pentru calcul.
Calculatoarele cuantice funcționează cu partea aceea ciudată din fizică – mecanica cuantică. Aici logica binară 1/0 încă funcționează, dar elementele fundamentale cu care lucrăm nu mai sunt biți care au valorile pure 1/0. Qubiții aici sunt un pic speciali, pentru că pot avea nu numai valorile 1/0, ci și „suprapuneri”, sau superpoziții de 1/0. E deseori explicat că ei pot fi 1 și 0 în același timp ca să ni-i imaginăm mai ușor, deși e încă neintuitiv: cum poate fi ceva și 1 și 0 în același timp, adică un întrerupător să fie și închis și deschis în același timp?!
Aș compara asta mai degrabă cu vederea – dacă cu ajutorul calculatoarelor digitale vedeam lumea în doar două culori, cu ajutorul calculatoarelor cuantice vedem în tonuri și nuanțe de culori. Iar când vedem mai multe, putem lua decizii mai ușor…
Care sunt problemele pe care un calculator cuantic le poate rezolva mai bine decât un calculator digital?
Există mai multe feluri de calculatoare cuantice. Unele se bazează pe circuite elementare (le numim de obicei porți), într-un stil asemănător cu calculatoarele noastre, numai că porțile acelea acum lucrează cu qubiți și au proprietăți speciale. Există câteva tehnici pentru astfel de calculatoare care funcționează mult mai bine decât orice există pe calculatoarele clasice.
De exemplu, factorizarea numerelor întregi. Aceasta e o problemă de matematică, dar are implicații serioase în securitatea calculatoarelor – când vom avea un astfel de calculator cuantic cu un număr suficient de qubiți, criptările pe care le folosim în mod curent vor putea fi descifrate cu ușurință, ceea ce va fi o mare bătaie de cap.
Există și un alt fel de calculator cuantic care se bazează pe un cu totul alt fenomen – el se numește calculator adiabatic. D-Wave a construit un astfel de calculator, care este specializat pe un anumit gen de probleme de optimizare – ele au aplicații variate în medicină, logistică, cercetare, planificare, statistică, simulări și prognoze etc. Tocmai a fost publicat un articol recent că D-Wave 2X, cel mai recent construit, a ieșit de 100.000.000 de ori mai rapid decât un procesor convențional pe o astfel de problemă.
Vor fi construite tot pe bază de siliciu? Cum arată un circuit integrat cuantic?
Dacă e ceva incredibil de dificil la calculatoarele cuantice, acel lucru e construcția lor, pentru că trebuie îndeplinite condiții speciale pentru ca ele să funcționeze corect. Există calculatoare cuantice pe câțiva qubiți, construite din molecule ultra-răcite (aproape de 0 absolut) bombardate cu laser, sau din cristale speciale prin care trec laseri, și nu numai.
Există multe propuneri, multe bazate pe optică. Toate sunt dificil de realizat chiar și în laborator, darămite într-un eventual procesor pe care să-l încorporezi într-un laptop. D-Wave, de exemplu, e construit din materiale speciale care devin supraconductoare – în care curentul electric circulă liber, fără obstacole – la temperaturi foarte joase.
Un procesor D-Wave e cam la fel de mic ca un procesor convențional (deși e construit total diferit), dar e ținut într-o cutie specială de câțiva metri cubi. Ea îl menține la o temperatură incredibil de mică – câteva miimi de grad peste 0 absolut – și îl izolează de orice perturbație electrică și magnetică.
Ce este D-Wave?
D-Wave e o companie canadiană care a implementat un anumit gen de calculatoare cuantice. Ele se bazează pe un fenomen special care se numește evoluție adiabatică. Pe scurt, un astfel de calculator pornește dintr-o configurație predefinită și un anumit nivel energetic. Programatorul este responsabil să seteze un nivel energetic țintă pentru calculator, iar calculatorul trece printr-un proces de tranziție (evoluție) până la acel nivel energetic.
La finalul procesului, configurația calculatorului (valorile qubiților) se schimbă, dând un fel de „răspuns” la nivelul energetic țintă care i-a fost impus. Partea interesantă e că acest nivel energetic este de fapt o encodare matematică a unei probleme de calcul, fapt ce îi dă acestei mașini proprietățile de calculator.
Este această mașină un calculator cuantic adevărat sau doar un simulator al unei mașini cuantice?
Clar e un calculator, pentru că rezolvă probleme de calcul și e cuantic pentru că e bazat pe mecanica cuantică. Singura problemă este că mașina D-Wave nu știe să rezolve orice problemă, ci un anumit gen de probleme. Deci D-Wave nu e un calculator cuantic universal.
De ce o mașină de calcul cuantică universală ar fi atât de puternică?
Marele avantaj este posibilitatea unui qubit de a fi nu doar 1/0, ci și ceva „suprapus”. Manipulând aceste stări suprapuse într-un mod inteligent, putem ajunge mult mai ușor la anumite rezultate. Dar nu numai atât – dacă legăm mai mulți astfel de qubiți și îi facem „dependenți” unul de celălalt, putem lucra nu doar cu combinațiile de 1/0 ale fiecărui qubit, ci și cu stări suprapuse ale tuturor combinațiilor.
În loc să considerăm pe rând fiecare combinație ca în calculatoarele convenționale, aici le putem lua în calcul pe toate, deodată! Asta este marea putere a calculatoarelor cuantice – dacă mai adăugăm încă un qubit cu care putem lucra, atunci practic îi dublăm puterea.
Este posibil ca această nouă tehnologie să schimbe complet tehnologia secolului 21?
Foarte probabil. Deja există rezultate teoretice care arată că, cel puțin pentru unele probleme, calculatoarele cuantice sunt exponențial mai rapide decât cele clasice pe care le avem. Asta înseamnă nu numai că sunt mai rapide, dar și altceva: cu cât e mai „mare” problema, cu atât e mai mare și diferența de performanță.
Odată ce punem la punct construcția de calculatoare cuantice, care deocamdată e dificilă, cel puțin câteva ramuri aplicate din știință se vor schimba radical – securitatea digitală, simulările și prognozele, medicina computațională și așa mai departe.
Va fi posibilă construirea unui calculator cuantic scalabil în timpul vieții noastre?
Chiar cred că da. Deja D-Wave are un număr suficient de qubiți (1.000 la acest moment) pentru a-și arăta puterea în rezolvarea problemelor pentru care acesta a fost construit. Calculatoarele cuantice bazate pe porți logice vin din urmă. Dar vom vedea rezultate practice în câțiva ani, iar în viața noastră de zi cu zi în alți câțiva.
Va fi cel puțin interesant!
