Companiile de tehnologie investesc miliarde de dolari în calculul cuanticîn ciuda faptului că tehnologia este încă la câțiva ani departe de aplicațiile practice. Deci, pentru ce vor fi folosite viitoarele computere cuantice – și de ce sunt atât de mulți experți convinși că vor schimba jocul?
Construirea unui computer care valorifică proprietățile neobișnuite ale mecanica cuantică este o idee care a fost în dispută din anii 1980. Dar în ultimele două decenii, oamenii de știință au făcut progrese semnificative în construirea de dispozitive la scară largă. Acum, o serie de giganți ai tehnologiei de la Google la IBM, precum și câteva startup-uri bine finanțate au investit sume semnificative în tehnologie – și au creat mai multe mașini individuale și unități de procesare cuantică (QPU-uri).
În teorie, calculatoarele cuantice ar putea rezolva probleme care depășesc chiar și cel mai puternic computer clasic. Cu toate acestea, există un consens larg că astfel de dispozitive vor trebui să devină mult mai mari și mai fiabile înainte ca acest lucru să se întâmple. Odată ce o vor face, totuși, există speranța că tehnologia va rezolva o serie de provocări de nerezolvat în prezent în chimie, fizică, știința materialelor și chiar în învățarea automată.
„Nu este doar ca un computer clasic rapid, aceasta este o paradigmă complet diferită”, Norbert Lütkenhausa declarat directorul executiv al Institutului de calcul cuantic de la Universitatea Waterloo din Canada pentru Live Science. „Calculatoarele cuantice pot rezolva unele sarcini eficient pe care computerele clasice pur și simplu nu le pot face.”
Stadiul actual al tehnicii
Cel mai fundamental bloc al unui computer cuantic este qubitul — o unitate de informație cuantică care este comparabilă cu un bit dintr-un computer clasic, dar cu abilitatea neobișnuită de a reprezenta o combinație complexă de 0 și 1 simultan. Qubiții pot fi implementați pe o gamă largă de hardware diferit, inclusiv circuite supraconductoare, ioni prinși sau chiar fotoni (particule de lumină).
Cele mai mari calculatoare cuantice de astăzi tocmai au trecut Marca de 1.000 de qubitdar majoritatea prezintă doar câteva zeci sau sute de qubiți. Ele sunt mult mai predispuse la erori decât componentele de calcul clasice din cauza sensibilității extreme a stărilor cuantice la zgomotul extern, care include schimbările de temperatură sau câmpurile electromagnetice parazite. Asta înseamnă că în prezent este dificil să rulezi programe cuantice mari pentru suficient timp pentru a rezolva probleme practice.
Înrudit: Teoria calculului cuantic radical ar putea duce la mașini mai puternice decât se imagina anterior
Asta nu înseamnă însă că computerele cuantice de astăzi sunt inutile, a spus William Oliverdirector al Centrului de Inginerie Cuantică de la Massachusetts Institute of Technology (MIT) din SUA. „Pentru ce sunt folosite calculatoarele cuantice astăzi este, practic, să înveți cum să faci calculatoare cuantice mai mari și, de asemenea, să înveți cum să folosești computerele cuantice”, a spus el într-un interviu pentru Live Science.
Construirea de procesoare din ce în ce mai mari oferă o perspectivă crucială asupra modului de proiectare a mașinilor cuantice mai mari și mai fiabile și oferă o platformă pentru dezvoltarea și testarea unor algoritmi cuantici noi. De asemenea, au permis cercetătorilor să testeze scheme de corectare a erorilor cuantice, care vor fi esențiale pentru îndeplinirea promisiunii complete a tehnologiei. Acestea implică de obicei răspândirea informațiilor cuantice pe mai mulți qubiți fizici pentru a crea un singur „qubit logic”, care este mult mai rezistent.
Lütkenhaus a spus că descoperirile recente în acest domeniu sugerează că calculul cuantic tolerant la erori ar putea să nu fie atât de îndepărtat. Mai multe companii inclusiv QuEra, Quantinuum şi Google au demonstrat recent capacitatea de a genera qubiți logici în mod fiabil. Creșterea la miile, dacă nu la milioane, de qubiți de care avem nevoie pentru a rezolva probleme practice va necesita timp și mult efort de inginerie, spune Lütkenhaus. Dar odată ce acest lucru a fost realizat, a o serie de aplicații interesante va intra în vedere.
Unde quantum ar putea schimba jocul
Secretul puterii calculului cuantic constă într-un fenomen cuantic cunoscut sub numele de suprapunere, a spus Oliver. Acest lucru permite unui sistem cuantic să ocupe mai multe stări simultan până când este măsurat. Într-un computer cuantic, acest lucru face posibilă plasarea qubiților de bază într-o suprapunere reprezentând toate soluțiile potențiale la o problemă.
„Pe măsură ce rulăm algoritmul, răspunsurile care sunt incorecte sunt suprimate, iar răspunsurile corecte sunt îmbunătățite”, a spus Oliver. „Și așa, până la sfârșitul calculului, singurul răspuns care a supraviețuit este cel pe care îl căutăm.”
Acest lucru face posibilă abordarea unor probleme prea vaste pentru a fi rezolvate secvenţial, aşa cum ar trebui să facă un computer clasic, a adăugat Oliver. Și în anumite domenii, calculatoarele cuantice ar putea efectua calcule exponențial mai rapid decât verii lor clasici, pe măsură ce dimensiunea problemei crește.
Una dintre cele mai evidente aplicații constă în simularea sistemelor fizice, a spus Oliver, deoarece lumea în sine este guvernată de principiile mecanicii cuantice. Aceleași fenomene ciudate care fac computerele cuantice atât de puternice fac, de asemenea, simularea multor sisteme cuantice pe un computer clasic intratabilă la scari utile. Dar pentru că funcționează pe aceleași principii, calculatoarele cuantice ar trebui să fie capabile să modeleze eficient comportamentul unei game largi de sisteme cuantice.
Acest lucru ar putea avea un impact profund asupra domeniilor precum chimia și știința materialelor în care efectele cuantice joacă un rol major și ar putea duce la descoperiri în orice, de la tehnologia bateriilor la supraconductori, catalizatori și chiar produse farmaceutice.
Calculatoarele cuantice au, de asemenea, unele utilizări mai puțin savuroase. Dați destui qubiți, un algoritm inventat de matematician Peter Shor în 1994 ar putea sparge criptarea care stă la baza o mare parte a internetului de astăzi. Din fericire, cercetătorii au conceput noi scheme de criptare care elimină acest risc, iar la începutul acestui an, Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) eliberat noi standarde de criptare „post-cuantică” care sunt deja implementate.
Posibilități emergente ale calculului cuantic
Alte aplicații pentru calculatoarele cuantice sunt, în prezent, oarecum speculative, a spus Oliver.
Există speranțe că tehnologia s-ar putea dovedi utilă pentru optimizare, ceea ce implică căutarea celei mai bune soluții la o problemă cu multe soluții posibile. O mulțime de provocări practice pot fi rezumate la procese de optimizare, de la facilitarea fluxurilor de trafic printr-un oraș până la găsirea celor mai bune rute de livrare pentru o companie de logistică. Construirea celui mai bun portofoliu de acțiuni pentru un obiectiv financiar specific ar putea fi, de asemenea, o posibilă aplicație.
Până acum, totuși, majoritatea algoritmilor de optimizare cuantică oferă accelerații mai puțin decât exponențiale. Deoarece hardware-ul cuantic funcționează mult mai lent decât electronicele actuale bazate pe tranzistori, aceste avantaje modeste ale vitezei algoritmice pot dispar repede atunci când este implementat pe un dispozitiv din lumea reală.
În același timp, progresul în algoritmii cuantici a stimulat inovații în calculul clasic. „Pe măsură ce designerii de algoritmi cuantici vin cu diferite scheme de optimizare, colegii noștri din informatică își avansează algoritmii și acest avantaj pe care se pare că îl avem ajunge să se evapore”, a adăugat Oliver.
Alte domenii de cercetare activă cu potențial pe termen lung mai puțin clar includ utilizarea computerelor cuantice pentru a căuta baze de date mari sau pentru a efectua învățarea automată, care implică analizarea unor cantități mari de date pentru a descoperi modele utile. Accelerările aici sunt, de asemenea, mai puțin decât exponențiale și există o problemă suplimentară de a traduce cantități mari de date clasice în stări cuantice pe care algoritmul poate funcționa – un proces lent care poate consuma rapid orice avantaj computațional.
Dar este încă devreme și există o mulțime de posibilități pentru descoperiri algoritmice, a spus Oliver. Domeniul este încă în proces de descoperire și dezvoltare a blocurilor de construcție ale algoritmilor cuantici – proceduri matematice mai mici cunoscute sub numele de „primitive” care pot fi combinate pentru a rezolva probleme mai complexe.
„Trebuie să înțelegem cum să construim algoritmi cuantici, să identificăm și să folosim aceste elemente de program, să găsim altele noi dacă există și să înțelegem cum să le punem împreună pentru a crea noi algoritmi”, spune Oliver.
Acest lucru ar trebui să ghideze dezvoltarea viitoare a domeniului, a adăugat Lütkenhaus, și este ceva ce companiile ar trebui să aibă în vedere atunci când iau decizii de investiții. „Pe măsură ce avansăm domeniul, nu vă concentrați prea devreme pe probleme foarte specifice”, a spus el. „Încă trebuie să rezolvăm multe mai multe probleme generice și apoi acest lucru se poate ramifica în multe aplicații.”