Calculator cuanticCalculatoarele cuantice par a reprezenta următorul pas în tehnologia informaţiei. Cum componentele pe bază de siliciu îşi vor atinge în curând limitele, e nevoie de ceva nou pentru viitor. Mecanica cuantică ne oferă o soluţie, una însă nu tocmai la îndemână.

 

 

 

 

 

Marele producător de procesoare, Intel, reuşeşte să îngrămădească în prezent peste 400 de milioane de tranzistori într-un microcip dual-core folosind tehnologia de ultimă generaţie pe 45nm. Iar cifra se va dubla în curând, dacă e să ţinem cont de legea lui Moore. Cu toate acestea, vorbim de calcule efectuate pe degete ori cu abacul dacă e să facem o comparaţie cu potenţialul de viitor al computaţiei cuantice.


Este un domeniu extrem de complex şi foarte dificil de popularizat – în fond vorbim de mecanică cuantică în tandem cu tehnologia informaţiei – cum ar putea fi altfel? Deşi ne vom limita în cadrul articolului de faţă la  introducerea unor noţiuni elementare despre computaţia şi calculatoarele cuantice, realizări recente precum aceasta fac dovada faptului că domeniul merită o deosebită atenţie. Cândva, în viitor, calculatoarele cuantice vor sparge coduri, vor executa căutări complexe pe web şi, poate, doar poate, vor da viaţă punţilor holografice pe care pasionaţii de science-fiction le cunosc din celebra serie Star Trek - The Next Generation.


Înainte de a trece la componenta legată de mecanica cuantică din conceptul de computaţie cuantică, să pornim la drum vorbind puţin despre noţiunea de computaţie. Este vorba despre biţi. Biţii sunt cărămizile tehnologiei informaţiei. Aceştia pot avea două stări – 0 sau 1, pornit sau oprit, adevărat ori fals, în fine, aţi prins ideea. Cheia este faptul că există două stări clare, bine definite, în care un bit se poate afla. Când punem laolaltă 8 biţi obţinem un octet (byte). Şi mai departe se ajunge la kiloocteţi, megaocteţi, gigaocteţi ş.a.m.d. Fotografiile digitale, muzica, documentele în diverse formate, toate constau din şiruri foarte lungi de 0 şi 1 împărţite în grupuri de câte 8 biţi.

 

Din cauza acestui aranjament binar, un computer clasic funcţionează după un anume tip de logică datorită căreia este performant în efectuarea anumitor categorii de operaţii – cele pe care le efectuăm zi de zi când utilizăm calculatorul – dar nu la fel de eficient în cazul altor operaţii, cum ar fi împărţirea în factori primi a numerelor foarte mari, element foarte important  în spargerea codurilor criptografice.


 

 

 

Computaţia cuantică operează cu un alt tip de logică – folosindu-se de legităţile mecanicii cuantice pentru efectuarea de diverse operaţii. Biţii cuantici, sau qubiţii, cum mai sunt numiţi, sunt diferiţi de biţii clasici întrucât sunt caracterizaţi de mai mult de două stări posibile. Pot avea stări multiple, superpoziţii de stări – de pildă pot lua valoarea 0 sau 1, sau 0-1 ori 0+1 ori 0 AND 1, toate în acelaşi timp. Vorbim de o entitate mult mai complicată decât un bit obişnuit. Proprietatea unui qubit de a exista în mai multe stări – combinaţia acestora purtând numele de superpoziţie – deschide o mulţime de uşi şi posibilităţi imense de creştere a puterii de procesare, fiind posibilă în teorie, de exemplu, descompunerea în factori primi a numerelor la viteze infinit mai mari decât cele posibil de atins cu ajutorul calculatoarelor disponibile în prezent.


Corelativitatea cuantică (ori, după altă traducere, inseparabilitatea cuantică, conform eng.quantum entanglement) – o proprietate a sistemelor cuantice care descrie legături subtile, complet contraintuitive şi foarte strânse care se manifestă între acestea – reprezintă cheia acestor posibilităţi computaţionale uluitoare.


Vorbim despre un lucru nu tocmai simplu de descris, astfel că a fost nevoie de ajutorul lui Boris Blinov, profesor la Universitatea din Washington, pentru a încerca să prezentăm fenomenul corelativităţii. Blinov a apelat la celebra pisică a lui Schrödinger pentru a explica ce înseamnă corelativitatea cuantică. În esenţă ideea este următoarea: dacă într-o cutie închidem o pisică şi eliberăm în incinta închisă un gaz otrăvitor, pisica este fie moartă (starea 0), fie vie (starea 1). Până la momentul deschiderii cutiei, ea există în ambele stări în acelaşi timp – o superpoziţie de stări. Superpoziţia dispare când efectuăm măsurători (ori observaţii, în acest caz) pentru a afla starea în care este pisica. Să presupunem însă că avem de-a face cu un sistem format din două pisici aflate în două cutii între care se manifestă aşa-numita corelativitate şi să efectuăm acelaşi experiment pentru a vedea ce presupune acest fenomen cuantic. Dacă deschidem o cutie şi pisica din ea este vie, asta înseamnă că şi cealaltă felină este în viaţă, lucru de care putem fi siguri fără a deschide vreo clipă ce-a de-a doua cutie. Avem de-a face cu un fenomen cuantic complet diferit de cele cu care suntem obişnuiţi din fizica clasică şi cu ajutorul căruia putem imagina algoritmi cuantici – schimbăm o parte a sistemului, iar restul acestuia va răspunde în mod corespunzător, fără a modifica restul operaţiei. Este o parte a cauzei pentru care computerele cuantice vor efectua cu o mai mare viteză anumite tipuri de operaţii matematice.


Cealaltă parte a explicaţiei, spune Blinov, este că în contextul corelativităţii cuantice se poate vorbi de o procesare paralelă în adevăratul sens al cuvântului – prelucrarea în paralel a multor informaţii, niciodată realizată cu adevărat în cazul procesoarelor clasice şi sistemelor de operare moderne.


La ce ne va folosi un asemenea algoritm executat de către un computer cuantic? De exemplu, spargerea unei parole prin forţă brută care durează ani de zile în cazul folosirii computerelor disponibile în prezent ar putea fi efectuată în doar câteva secunde cu ajutorul unuia cuantic – un vis al cercetătorilor din ştiinţa criptografiei, un domeniu de interes pentru guvernele şi armatele marilor puteri. Chiar şi marile companii care oferă servicii de căutare pe Internet – Google, Yahoo ori Microsoft, ar putea beneficia enorm de pe urma unor algoritmi care să indexeze şi să efectueze căutări în baze de date imense mult mai rapid. Să nu uităm şi de aplicaţiile ştiinţifice, mai ales că maşinile de calcul clasice nu excelează în domeniul modelării fenomenelor din mecanica cuantică. Jonathan Home de la NIST sugerează ideea că având în vedere felul în care evoluează „cloud computing-ul” (un termen care desemnează folosirea resurselor de procesare disponibile pe Internet în scopul obţinerii de performanţe superioare de calcul), dacă este nevoie de efectuarea unei operaţii matematice extrem de complexe, s-ar putea apela la „închirierea” de timp de procesare pe un supercomputer cuantic din "fermele" de servere ale Google.

 

Motivul principal pentru care încă nu ne dăm cu toţi în spectacol cu ultimul laptop cuantic pe care l-am achiziţionat este „fragilitatea” lumii particulelor elementare. Va fi mereu aşa, mai ales că stările cuantice nu sunt tocmai cele mai robuste şi stabile entităţi din Univers. Este vorba despre manipularea de ioni, mai degrabă decât a electronilor, iar dacă în prezent temperatura procesoarelor este principala problemă, în cazul calculatoarelor cuantice obstacolele cauzate de temperaturile ridicate sunt infinit mai greu de depăşit. În cazul progreselor înregistrate de echipa lui Home de la NIST – care constă în efectuarea unui set complet de operaţii de „transport” – mutarea informaţiei dintr-o zonă a computerului în alta – cercetătorii au lucrat cu o singură pereche de atomi, folosind lasere pentru a manevra stările ionilor de beriliu, stocând datele şi efectuând o operaţie, înainte de a transfera informaţia într-o altă zonă a procesorului. Cheia succesului şi a menţinerii integrităţii datelor în condiţiile creşterii temperaturii a fost răcirea pe parcursul procedurii a ionilor de beriliu cu ajutorul ionilor de magneziu. Şi laserele folosite în acest experiment nu pot mai mult. Pentru a manevra mai mulţi ioni, e nevoie de lasere suplimentare.

 

Computaţia cuantică este un domeniu foarte fragil. Mare parte a eforturilor care se fac în prezent adresează corecţia erorilor, conform lui Home. În 5 ani se va ajunge la manipularea câtorva zeci de qubiţi. Stadiul la care se află cercetătorii în acest moment, dacă e să îl credem pe Blinov, este echivalent cu ceea ce odinioară a însemnat etapa construirii unui tranzistor fiabil. Asta nu înseamnă că acei câteva zeci de qubiţi vor fi inutili. Deşi nu vor sparge coduri pentru NSA – e nevoie de aproximativ 10000 de qubiţi pentru spargerea de coduri folosite în criptografia de înalt nivel – vorbim totuşi de putere de procesare suficientă pentru calcularea proprietăţilor unor materiale noi altfel greu de modelat cu computerele clasice. Cu alte cuvinte, materialele pe care oamenii de ştiinţă le vor folosi pentru carcasa viitorului iPhone 10G ori pentru procesorul cuantic Intel al anilor 2030. Numai să nu vă aşteptaţi să aveţi pe birou un calculator cuantic în următorii 10 ani !


 

 

 

Articolul reprezintă traducerea şi adaptarea acestui material şi este guvernat de principiile Creative Commons License.

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.