În general calculatoarele cuantice sunt văzute cu un foarte mare optimism. Un optimism pe care îl împărtășesc și eu. Totuși mulți specialiști cred că vor trece multe decenii până vom avea cu adevărat niște calculatoare cuantice cu adevărat operaționale. Nu împărtășesc acest pesimism. În schimb cred că este nevoie să ne controlăm entuziasmul în ceea ce le privește. Oricât ar părea de ciudat, având în vedere exaltarea cu care ne sunt prezentate uneori, ele nu vor putea rezolva decât anumite categorii de probleme. Nu le vom putea folosi, de exemplu, pentru prognoze meteo…
Deși de-a lungul timpului în revista noastră au fost publicate multe articole dedicate calculatoarelor cuantice, cred că este nimerit să fac și acum o scurtă prezentare a principiilor care stau la baza funcționării lor, pentru că simt nevoia să fac niște mici clarificări, care îmi par necesare.
Mie mi-a plăcut foarte mult o metaforă a scriitorului și politicianului Thierry Breton care, într-o emisiune radiodifuzată, descria simplu funcționarea unui calculator cuantic pe care o voi folosi și eu. Să ne imaginăm că într-o sală în care se află câteva mii de persoane le căutăm numai pe cele care au peste 1,80 m și care vorbesc limba engleză. Dacă aplicăm principiile calculatoarelor clasice, ne-am duce la fiecare persoană aflată în sală și am întreba-o dacă e mai înaltă de 1,80 m și dacă vorbește limba engleză. Dacă răspunsul este afirmativ la ambele întrebări, atunci o vom trece într-un tabel. Evident, chestia asta este secvențială și ne va consuma mult timp. Dacă, în schimb, vom aplica principiile calculului cuantic ar fi suficient să luăm un microfon și să îi rugăm pe cei mai înalți de 1,80 m și care vorbesc engleza să ridice mâna dreaptă. Răspunsul va fi practic instantaneu.
O altă metaforă, care mi-a plăcut la fel de mult, îi aparține lui Bernard Ourghanlian, director tehnic la Microsoft. El ne sugerează să ne imaginăm un labirint complex. Dacă vom aplica principiile care guvernează calculatorul clasic, atunci vom explora, rând pe rând, fiecare drum posibil până vom reuși să găsim ieșirea. Din nou avem un mare consum de timp pentru procesarea informațiilor. În cazul aplicării principiilor care guvernează calculatorul cuantic, atunci vom putea explora simultan toate drumurile.
Sunt convins că v-au plăcut și dumneavoastră metaforele astea. Din păcate, așa cum se întâmplă de fiecare dată atunci când vine vorba despre știință și tehnologie, ele au, mai degrabă, menirea de a ne apropia un pic de domeniul prezentat. Simplificarea adusă de ele poate ascunde dificultățile reale cu care se confruntă domeniul respectiv. Același lucru se întâmplă și în cazul calculatorului cuantic. Așa că vă rog să îmi permiteți să complic un pic, doar un pic, prezentarea acestui tip de calculator, pentru ca mai apoi să încercăm să vedem, împreună, ce poate să facă el cu adevărat.
Calculator cuantic vs calculator clasic
Așa cum se știe, un calculator clasic, din acelea la care oricare dintre noi are aces, este un dispozitiv care operează cu biți, altfel spus, cu cifre binare, care pot lua doar două valori, respectiv 0 și 1. Din momentul apariției, ele au evoluat continuu, din ce în ce mai rapid, fiind astăzi capabile să realizeze performanțe de-a dreptul extraordinare, pe care ni le-am fi imaginat cu dificultate cu nu mulți ani în urmă. Totuși ele pot rezolva foarte greu anumite probleme, cum ar fi descompunerea în factori primi ai numerelor foarte mari. Veți vedea mai încolo de ce am dat acest exemplu.
Spre deosebire de calculatorul clasic, cel cuantic operează cu biți cuantici, pe scurt qubiți. În timp ce bitul tradițional poate fi fie 0, fie 1, qubitul poate fi într-o superpoziție a acestor două stări, ceea ce înseamnă că poate fi atât 0, cât și 1 simultan. Mai bine zis, un qubit este o combinație liniară a celor două valori, 0 și, respectiv, 1.
Îmi dau seama că mai este nevoie de o mică precizare. Nu vă supărați și nu vă speriați, voi apela la puțină matematică, oarecum, cuantică. Imaginați-vă sfera terestră. Pe această sferă putem reprezenta un bit clasic. Astfel putem să îi atribuim Polului Nord valoarea 0 și Polului sud valoarea 1. Un bit cuantic, să-l notăm cu |Q〉, datorită superpoziției, se poate afla oriunde pe suprafața terestră. (Notația asta, cu paranteze ciudate, |.〉, se numește notație Dirac. Matematic asta ar însemna
|Q〉=a|0〉+ b|1〉
Factorii a și b reprezintă probabilitatea ca qubitul |Q〉 să se afle în starea 0, respectiv 1.
În plus, suma |a|2 + |b|2 = 1
Gata cu matematica! Sper că încă nu am reușit să vă plictisesc prea tare. Să mergem mai departe. Nu trebuie să uităm un lucru: în cazul qubiților se manifestă din plin ciudățeniile ce țin de mecanica cuantică. Nu vom cunoaște valoarea reală qubitului decât dacă el ”colapsează” sau, spus pentru noi, profanii, dacă este ”distrus”.
Hardware cuantic
Realizarea hardware-ului necesar pentru calculul cuantic este o chestie foarte complexă, având în vedere faptul că sistemele cuantice implicate sunt extrem de sensibile și trebuie complet izolate de factori externi. Totuși, cercetătorii au reușit să deschidă drumuri către calculatoare cuantice, care par foarte promițătoare pentru anii ce vin. Fără să intru în detalii, voi încerca să vă prezint cele care acum îmi par a fi cele mai promițătoare.
Qubiții supraconductori sunt în prezent cea mai populară abordare pentru construirea de calculatoare cuantice. Companii precum IBM, Google și Rigetti Computing îi preferă pentru realizarea calculelor cuantice. Acești qubiți sunt circuite minuscule realizate din materiale supraconductoare, adică materiale care pot transporta un curent electric fără rezistență. Qubiții supraconductori valorifică fenomenul de coerență cuantică macroscopică, permițându-le să mențină stările de superpoziție, permițând astfel efectuarea de calcule cuantice. Qubiții supraconductori au avantajul că sunt scalabili și relativ ușor de integrat în tehnologiile actuale. Din păcate sunt sensibile de semnale perturbatoare, impunând folosirea de tehnici avansate de corecție a erorilor.
O altă direcție pentru realizarea calculatoarelor cuantice este realizarea de qubiți cu ajutorul unor capcane de ioni. Acestea folosesc pulsuri laser scurte pentru a ”captura” și manipula starea cuantică internă a unor ioni. Ele sunt dezvoltate în prezent de mai multe companii, cum ar fi IonQ și Honeywell. Ca avantaj acest tip de calculator are nevoie de puține corecții ale erorilor, spre deosebire de cazul qubiților supraconductori. Din acest motiv ele pot efectua calcule precise. Din păcate sunt greu de scalat și de integrat cu tehnologiile actuale iar viteza de calcul este relativ scăzută.
O altă abordare, care îmi pare cea mai promițătoare dintre toate, este realizarea de qubiți topologici. Ea se bazează pe folosirea unor cvasiparticule, cum ar fi anyonii. Cvasiparticulele, după cum sugerează și numele, nu sunt particule adevărate, ci mai degrabă colectivități de particule care pot fi tratate cum ar fi particule individuale. Această abordare este folosită de echipa Microsoft Quantum. Dintre avantaje sunt de remarcat că aceste calculatoare cuantice sunt insensibile la erori, sunt stabile și scalabile. Din păcate ele sunt complexe, atât din punct de vedere experimental, cât și din punct de vedere teoretic. Deocamdată, din ce am apucat să văd eu, progresele în domeniul qubiților topologici sunt relativ lente. Dar, repet, îmi pare că în această zonă se află viitorul calcului cuantic.
Probleme legate de calculatoarele cuantice
Cu toții privim cu un optimism entuziast viitorul cuantic al calculului. Înainte de a vă povesti câte ceva despre folosirea lor practică, vreau să vă enunț probleme tehnice cu care se confruntă calculatoarele cuantice, chiar dacă risc să mă repet, ele limitându-le performanțele. Dar nu uitați ici o clipă că ne aflăm, încă, în faza incipientă a dezvoltării lor.
Așa cum v-am spus, calculatoarele cuantice se bazează pe menținerea coerenței pentru a putea efectua calculele. Din păcate, qubiții sunt foarte sensibili la factorii de mediu externi, cum ar fi fluctuațiile de temperatură, undele electromagnetice etc. Asta duce la pierderea coerenței qubiților, producându-se astfel erori de calcul. În prezent se depun eforturi majore pentru depășirea acestor obstacole.
Este nevoie de sisteme complexe pentru corecta erorile care apar în timpul funcționării calculatoarelor cuantice. Asta implică o creștere a numărului de qubiți fizici, ei ajungând să fie mult mai mulți decât qubiții logici. Îmi dau seama că mă veți întreba: care este diferența dintre cele două categorii de qubiți? Un qubit fizic este un sistem fizic care poate fi folosit pentru a stoca și manipula informații cuantice. În schimb, un qubit logic este o abstracțiune strict matematică, în care stările cuantice sunt complet protejate împotriva erorilor.
Legat de creșterea numărului de qubiți fizici apare problema scalabilității. Și aceasta este o poroblemă foarte complicată, a cărei dificultate poate crește exponențial pe măsură ce adăugăm noi qubiți fizici.
O ultimă problemă pe care vreau să o enunț acum este legată de integrarea calculatoarelor cuantice în tehnologiile devenite clasice, cele care ne sunt, cel puțin până acum, indispensabile pentru citirea rezultatelor obținute cu ajutorul calculatoarelor cuantice.
La ce sunt bune calculatoarele cuantice?
Dacă este să îmi aduc aminte despre ceea ce aflam atunci când auzeam prima oară de calculatoarele cuantice, atunci nu am cum să nu remarc faptul că, în urmă cu puține decenii, se avea în vedere utilizarea calculatoarelor cuantice pentru spargerea codurilor, mai bine zis: a cifrurilor și pentru a realiza transferuri de date imposibil de interceptat. Când mă refer la coduri, mă gândesc la unele extrem de populare și de sigure (desigur, până la dezvoltarea calculului cuantic). Este vorba de algoritmul RSA (dezvoltat de cercetătorii Rivest, Shamir și Adleman în 1977) care permite cifrarea și descifrarea datelor. El utilizează o pereche de chei: una publică și una privată. Cheia publică poate fi distribuită de către oricine, în timp ce cheia privată rămâne secretă. Datele codificate cu ajutorul cheii publice nu pot fi descifrate decât cu ajutorul cheii private corespunzătoare. Fără să intru în detalii vă voi spune că securitatea acestui algoritm se bazează pe faptul că – deşi găsirea unor numere prime mari este din punct de vedere computaţional uşoară – factorizarea produsului a două astfel de numere este în prezent foarte greu de rezolvat într-un timp acceptabil, de către sistemele clasice de calcul. În general, în sistemele moderne sunt folosite, în general, chei cu dimensiunea de 2048 de biți. Pentru a factoriza produsul dintre cheia publică și cea privată, în scopul spargerii codurilor, un calculator clasic, are nevoie de trilioane de ani de calcul. Iată de ce algoritmul RSA este considerat a fi unul sigur. Dar, dacă vom dispune de calculatoare cuantice care circa 2.000-3.000 de qubiți logici, atunci factorizarea ar dura numai o zi. Atunci când vom crește numărul lor la peste 4000, vom avea nevoie de numai câteva secunde. Iată că ne aflăm în fața unei probleme grave, care ne așteaptă după ușă, în viitor. Date personale, financiare, militare, secrete de stat etc, extrem de sensibile, vor deveni accesibile hacker-ilor care ar dispune de calculatoare cuantice eficiente. Dar tot ele, calculatoarele cuantice, ne pot oferi soluții de protecție, cu ajutorul așa numitei criptografii cuantice sigure. Nu mă voi opri acum asupra ei.
O altă aplicație posibilă a calculatoarelor cuantice, probabil cea mai importantă dintre toate, care nu va putea fi accesibilă vreodată calculatoarelor clasice este… mecanica cuantică. La nivel cuantic sunt determinate proprietățile electrice, optice, chimice etc ale diferitelor materiale. Dacă putem rezolva ecuațiile care guvernează lumea atomilor și moleculelor, așa cum facem rezolvând ecuațiile newtoniene pentru a face calcule de rezistență mecanică, atunci am avea la dispoziție un instrument extrem de puternic pentru a proiecta (intenționat nu am pus ghilimele) materiale cu proprietăți fizice și chimice bine precizate. Astfel am putea realiza catalizatori mai eficienți, medicamente pentru boli care nu își au tratament acum, sisteme pentru capturarea bioxidului de carbon rezultat în urma unor procese tehnologice și așa mai departe. Mai putem realiza materiale supraconductoare la temperatura camerei și orice structură fizico-chimică ce ar putea contribui fundamental la revoluția tehnologică a viitorului. Mă aștept la rezultate impresionante în mai puțin de două decenii.
Și sectorul financiar va avea beneficii masive în urma folosirii calculului cuantic. Procedurile financiare implică adesea calcule matematice complexe, cu un număr imens de variabile, care depășesc capacitățile calculatoarelor clasice, impunând folosirea calculatoarelor cuantice. Tot ele vor fi indispensabile pentru minimizarea riscurilor legate de problemele curente, cum ar fi o proastă gestiune a trezoreriei. Pe măsură ce calculatoarele cuantice se perfecționează ele oferă posibilitatea realizării unor beneficii semnificative. În această zonă, cea a utilizării calculului cuantic în sectorul financiar, au apărut mulți jucători importanți.
O altă zonă de folosire a calculatoarelor cuantice este sectorul logistic. Un exemplu ar fi problema comis voiajorului, care se enunță astfel: „Dată fiind o listă de orașe și distanțele între fiecare două orașe, care este cel mai scurt traseu posibil pentru a vizita fiecare oraș o singură dată și a te întoarce la orașul de origine?”. O problemă cu un enunț simplu, dar care este foarte greu de rezolvat cu calculatore clasice, oricât de performante ar fi ele. În schimb, algoritmii folosiți de calculatoarele cuantice pot oferi soluții extrem de rapid. Desigur, problema comis voiajorului nu mai este o problemă de actualitate în zilele noastre. În schimb planificarea itinerariilor pe care se vor deplasa vehiculele de aprovizionare este una foarte complicată, mai ales în cazul firmelor mari. Informatica cuantică va permite o mult mai bună evaluare a itinerariilor posibile, astfel încât să poată fi alese cele mai eficiente cu putință. Acestui rezultat i se adaugă și posibilitatea selecționării celor mai sigure.
În caseta introductivă vă spuneam că nu este posibil ca un calculator cuantic să poată fi folosit pentru a realiza predicții meteo sau climatice. Afirmația mea era (oarecum voit) inexactă. Aveam nevoie de ea pentru a vă explica limitele calculului cuantic. Cum apar aceste limite? Ecuațiile folosite pentru prognozele meteo sunt unele neliniare și nu pot fi rezolvate cu algoritmi cuantici. Totuși, ele pot fi modificate astfel încât să poată fi abordate de către calculatoarele cuantice. Dar chestia asta are un preț, unul destul de aspru. Timpul de calcul pentru a realiza o prognoză meteo sau climatică este cel puțin egal cu cel necesar în cazul folosirii calculatorului clasic și deci nu îi exploatăm în nici un fel avantajele pe care le-am lăudat mai devreme.
Încheiere
Sunt sigur că viitorul, măcar în ceea ce privește calculatoarele cuantice, va veni mult mai repede decât se prognozează acum de către mulți specialiști în domeniu. La fel s-a întâmplat și în trecut cu calculatoarele clasice. Folosind aceeași paralelă îndrăznesc să afirm că viitoarele calculatoare cuantice ne vor ajuta să rezolvăm multe probleme despre care în prezent habar nu avem că ar exista…
