Computerele cuantice: ce sunt, unde pot fi folosite și de ce sunt atât greu de construit

Calculatoarele cuantice sunt un pas înainte în domeniul cercetării, datorită puterii extraordinare pe care aceste sisteme o promit. De la medicină la finanțe, știință și inteligență artificială, calculatorul cuantic promite o putere de calcul pe care sistemele actuale nu o pot genera. Chiar și așa, în momentul de față, complexitatea sistemelor cuantice creează mai multe dureri cap decât rezultate.

Calculatoarele cuantice au capacitatea de a revoluția modul și viteza cu care au loc noile descoperiri din domenii tehnice, funcționând pe baza a două principii din fizica cuantică (superpoziții și entanglement). Acestea le permit calculatoarelor cuantice să efectueze operațiuni la o viteză impresionată. Tocmai aceste principii sunt și cele care creează dificultăți în modul în care sistemele trebuie proiectate și programate.

Cum funcționează un calculator cuantic?

Calculatoarele clasice realizeză calculele matematice prin intermediul biților – celule care se pot găsi într-una din cele două stări: 0 (fals) și 1 (adevărat). Opt biți formează un octet (byte), iar de aici apar și supradiviziunile: tertra-, mega-, giga-, tera- etc. Fizic, calculatorul operează pe baza unor tranzistori (dispozitive care transmit, sau nu, un semnal electric) care sunt organizați în ”porți logice”, printre care se numără: poarta ”și”, poarta ”dacă”, poarta ”nu” etc. Mai multe porți formează module, iar mai multe module duc la formarea unui procesor.

Calculatoarele cuantice operează în baza biților cuantici, denumiți și qubiți. Aceștia, spre deosebire de biții clasici, se pot găsi în toate stările clasice și combinațiile sale (0-1 și 0+1), în același timp. Simultaneitatea stărilor este posibilă datorită fenomenului de superpoziție, conform jurnaluldeafaceri.ro.

Cea de a doua relație dintre qubiți este fenomenul de entanglement care ”leagă” toate stările qubiților între ele. Acest lucru permite calculatoarelor cuantice să exploreze mai multe căi de rezolvare în mod simultan, ceea ce ar putea crește seminifcativ viteza cu care se pot realiza operații de mare complexitate, conform site-ului microsoft.com.

Dr. Shohini Ghose, de la Universitate Wilfrid Laurier (Canada), a susținut o conferință TED pe tema calculatoarelor cuantice în care a explicat cum fenomentul de entanglement permite comunicarea a oricăror doi qubiți, indiferent de distanța dintre aceștia.

Câteva aplicații posibile ale calculatoarelor cuantice

Noile sisteme ar putea contribui la soluționarea unor calcule complexe, datorită fenomenului de superpoziție. Conform singularyhub, calculatoarele cuantice ar putea fi folosite în dezvoltarea unor versiuni mult mai sigure de criptare a informației. Criptarea cuantică ar putea pune hackerii în imposibilitatea de a descoperi ”cheile de acces” ale sistemelor vulnerabile, datorită stării nedeterminate în care se găsește informația necesară decriptării.

O altă aplicație a acestor sisteme ar fi în medicină, în domeniul modelării moleculare. Sistemele actuale nu pot face față complexității acestor sarcini, datorită limitărilor fizice cu care se confruntă și care le pun în imposibilitate de a mai avansa, în mod seminificativ, din punct de vedere tehnologic. Calculatoarele cuantice pot aduce contribuții importante în această zonă, întrucât interacțiunile chimice sunt, și ele, de natură cuantică.

Inteligența artificială poate beneficia masiv de pe urma utilizării calculatoarelor cuantice. Cele mai ”inteligente” sisteme de ”învățare” funcționează pe baza unui proces de ”trial and error”. Sistemele de deep și machine learning vor ajunge mult mai puternice și mai rapide, dacă pot profita de pe urma fenomenului de superpoziție.

De ce sunt atât de greu de proiectat?

Scientific American scrie despre provocările pe care le aduce natura cuantică a dispozitivelor. Calculatoarele cuantice sunt susceptibile unor erori cauzate de ”zgomot” și de pierderea coerenței cuantice – pierderea proprietăților cuantice a qubitului și reducerea sa la un simplu bit.

”Incoerența cuantică” poate fi cauzată de diferite interacțiuni cu mediul exterior (cum ar fi variații electromagnetice sau de temperatură). Tocmai din acest motiv, actualele sisteme cuantice au o probabilitate mică să livreze rezultate corecte, chiar și pentru operații mai simple, conform aceleeași publicații online.

Erorile pot fi corectate prin intermediul schemelor de corecție cuantică – un proces care consumă o parte din qubiți. Numărul acestora determină capacitatea sistemelor cuantice de a realiza operații din ce în ce mai complexe, iar utilizarea schemelor de corecție ridică problema achiziționării unor sisteme care nu funcționează în conformitate cu specificațiile inițiale.

Lockheed Martin, o companie renumită în domeniul aerospațial și securității internaționale, s-a confruntat cu o astfel de degradare a unui sistem cuantic după ce a achiziționat, în 2011, un sistem D-Wave One – unul dintre primele modele de calculatoare cuantice disponibile, scrie Digital Trends.

Într-un interviu pentru Singularity Hub, Jeff Kessler – vicepreședintele departamentul de cercetare IBM – a declarat: ”Calculatoarele cuantice și calculatoarele clasice vor lucra împreună în viitorul apropiat.[…] Ceea ce ne putem imagina sunt calculatoarele clasice care pot accesa capabilitățile calculatoarelor cuantice pentru sarcinile care sunt prea greu de rezolvat pentru ele, cum este simularea moleculară.”

Sursa foto: Pexels.