Imaginează-ți computere care ar putea rezolva probleme în câteva secunde, pe care mașinile noastre actuale le-ar lua mii de ani să le rezolve. Aceasta este promisiunea calculului cuantic, o tehnologie revoluționară care ar putea transforma domenii întregi precum medicina, știința și finanțele. Până acum, această tehnologie s-a concentrat pe particule simple. Mai recent, o echipă de cercetători de la Harvard a făcut un pas crucial prin utilizarea moleculelor ca unități fundamentale de informație. Această descoperire ar putea revoluționa viitorul calculului cuantic.
Pentru cei neinițiați trebuie să spunem că, spre deosebire de computerele clasice care folosesc biții ca unitate de bază de informație (reprezentată prin 0 sau 1), calculatoarele cuantice folosesc qubiți. Acestea din urmă au particularitatea de a putea fi într-o stare de 0, 1 sau o suprapunere a celor două, un pic ca o monedă care se întoarce pe sine: atâta timp cât se întoarce, este în același timp cozi, față și undeva la mijloc. Această proprietate, numită suprapunere, permite calculatoarelor cuantice să efectueze mai multe calcule simultan, oferindu-le o putere de procesare incomparabilă cu cea a computerelor tradiționale. Dar asta nu este tot. Calculul cuantic se bazează, de asemenea, pe un al doilea fenomen la fel de fascinant: entanglementul cuantic. Când doi qubiți sunt în stare de entanglement, stările lor devin interdependente, indiferent de distanța dintre ei. Dacă schimbi starea unuia, celălalt reacționează instantaneu ca și cum ar fi conectat printr-un fir invizibil. Acest lucru face posibilă crearea de corelații complexe între qubiți, o condiție esențială pentru efectuarea calculelor de putere fără egal.
Datorită acestor proprietăți unice, calculatoarele cuantice fac mai mult decât accelerează calculele: deschid calea către aplicații imposibil de realizat cu mașinile clasice, cum ar fi modelarea moleculelor complexe, optimizarea sistemelor ultracomplicate sau rezolvarea în continuare a unor probleme matematice gigantice. Pe scurt, calculul cuantic promite o adevărată revoluție tehnologică.
Până acum, calculul cuantic s-a bazat pe sisteme relativ simple. Unul este ioni capturați. În această abordare, ionii (atomii care au o sarcină electrică) sunt ținuți în suspensie folosind câmpuri electromagnetice. Fiecare ion reprezintă un qubit și stările lor cuantice pot fi manipulate cu lasere pentru a efectua calcule. Ionii prinși sunt apreciați pentru coerența lor cuantică foarte lungă (își mențin starea stabilă pentru o perioadă lungă de timp), dar manipularea lor necesită instalații complexe.
O altă abordare implică atomi neutri. Aici, atomii neutri sunt imobilizați folosind lasere extrem de precise, numite pensete optice. Ele sunt organizate în rețele în care interacțiunile lor pot fi controlate. Deși sunt mai stabile decât alte sisteme, implementarea calculelor complexe necesită totuși eforturi de optimizare.
În cele din urmă, unii se bazează pe circuite supraconductoare. Aceste sisteme folosesc materiale care, la temperaturi apropiate de zero absolut, conduc electricitatea fără nicio rezistență. Circuitele supraconductoare creează qubiți artificiali care pot fi manipulați rapid pentru a efectua operații. Această abordare este deja folosită de companii precum IBM și Google, dar necesită frigidere criogenice pentru a funcționa, ceea ce face dificilă utilizarea la scară largă.
Aceste tehnologii sunt bazele actuale ale multor calculatoare cuantice experimentale, deoarece au un echilibru bun între stabilitate, precizie și controlabilitate. Cu toate acestea, au limitări de complexitate. Cu alte cuvinte, sunt proiectate pentru un singur qubit. Acest lucru este suficient pentru multe experimente, dar limitează și capacitatea de a explora aplicații mai sofisticate.
Moleculele, pe de altă parte, au o structură internă mult mai bogată, ceea ce ar putea face posibilă crearea de computere cuantice mai puternice. Cu toate acestea, această complexitate este o sabie cu două tăișuri. Moleculele sunt în general instabile și greu de controlat, mai ales din cauza mișcărilor lor imprevizibile. Imaginați-vă o mașină cu angrenaje interne foarte complexe: poate oferi capacități incredibile, dar devine inutilizabilă dacă aceste angrenaje încep să scape de sub control. Acesta este motivul pentru care cercetătorii au considerat de mult timp moleculele prea delicate pentru calculul cuantic
În ciuda numeroaselor provocări legate de utilizarea moleculelor în calculul cuantic, o echipă de cercetători de la Universitatea Harvard condusă de Kang-Kuen Ni a făcut o descoperire majoră utilizându-le ca qubiți pentru prima dată. Rezultatele lor, prezentate într-un articol publicat în revista Nature, se bazează pe trei pași cheie. În primul rând, au ales molecule polare de sodiu-cesiu (NaCs), ale căror proprietăți electrice unice le fac ideale pentru operațiuni cuantice. Aceste molecule au fost răcite la temperaturi extrem de scăzute, apropiate de zero absolut, pentru a minimiza mișcarea lor și pentru a asigura o mai bună stabilitate. Apoi, cercetătorii au folosit pensete optice pentru a prinde și a manipula moleculele. Aceste pensete acționează ca niște instrumente ușoare capabile să țină moleculele în loc fără a le deranja. În cele din urmă, prin exploatarea interacțiunilor electrice naturale dintre molecule, echipa a reușit să le aducă în stare de entanglement, creând o stare cuantică ce poartă numele de stare Bell, cu o acuratețe remarcabilă de 94%. Această entanglement a făcut posibilă construirea unei porți cuantice numită iSWAP, capabilă să schimbe stările a doi qubiți în timp ce se aplică o schimbare de fază, o operație fundamentală pentru exploatarea întregului potențial al calculului cuantic. Această descoperire deschide calea către progresele viitoare prin combinarea bogăției structurale a moleculelor cu principiile fizicii cuantice.
Acest progres reprezintă un punct de cotitură major pentru calculul cuantic. Datorită complexității lor interne, moleculele oferă un potențial imens de a efectua calcule chiar mai rapide și mai sofisticate decât cele obținute cu qubiții actuali. Aplicațiile avute în vedere sunt vaste și promițătoare.
În domeniul medicinei, de exemplu, această tehnologie ar putea face posibilă modelarea precisă a interacțiunilor moleculare, ceea ce ar accelera descoperirea de noi medicamente. În știință, ar putea revoluționa simularea reacțiilor chimice complexe, care în prezent sunt imposibil de modelat cu computerele convenționale. În cele din urmă, în finanțe, acesta ar putea fi folosit pentru a optimiza portofolii și a prezice scenarii de o complexitate fără precedent, îmbunătățind astfel procesul decizional în medii dinamice. În plus, această descoperire contribuie la aprofundarea înțelegerii noastre fundamentale a fizicii cuantice. De asemenea, ar putea inspira noi abordări pentru stabilizarea și exploatarea sistemelor cuantice, lărgind astfel orizonturile acestei discipline în plină dezvoltare.
În ciuda acestui succes spectaculos, multe obstacole rămân de depășit înainte ca moleculele să poată fi integrate la scară largă în calculatoarele cuantice. Deși oferă posibilități unice, aceste sisteme moleculare sunt încă greu de manipulat și de stabilizat. Tranziția de la experimentarea de laborator la tehnologia funcțională și operațională va necesita încă ani de cercetare. Provocările includ îmbunătățirea preciziei operațiunilor și reducerea erorilor cauzate de mișcările neașteptate ale moleculelor care le pot perturba starea cuantică. Cu toate acestea, aceste obstacole sunt și o sursă de oportunități. Fiecare problemă depășită poate da naștere la noi inovații care vor aduce această tehnologie revoluționară puțin mai aproape de întregul său potențial.