Bun venit în era cuantică
Într-un articol din 2012, John Preskill, un fizician teoretician, a pus următoarea întrebare: „Este pur și simplu foarte, foarte dificilă evoluția sistemelor cuantice la scară largă sau este ridicol de dificilă?” Șapte ani mai târziu avem răspunsul: este foarte, foarte greu.
Recent, o lucrare de cercetare pe acest subiect a apărut online pentru o perioadă foarte scurtă de timp și din întâmplare. „Nature”, o revistă științifică de nivel înalt, acceptase să publice lucrarea care, însă, la momentul publicării temporare, era încă confidențială.
Lucrarea a dezvăluit că Google a atins ceea ce Preskill a numit „supremația cuantică”. Folosind un computer cuantic, cercetătorii de la gigantul internetului au efectuat în trei minute un calcul care i-ar fi necesitat Summit, cel mai puternic supercomputer IBM din lume, 10.000 de ani de procesare.
O expresie definitivă a supremației cuantice. Există un consens că acest document confidențial reprezintă cu adevărat o piatră de hotar în istoria tehnologiei.
Ar putea fi o cotitură între două epoci: un „înainte”, când se baza pe computerele cuantice pentru a le depăși pe cele cu siliciu, și un „după”, când acest lucru s-a întâmplat de fapt. Până acum s-a vorbit mult despre a doua epocă. Acum a sosit
Destul de salt înainte
Experimentul Google a constat în efectuarea „eșantionării circuitului”. testul verifică dacă prelucrarea efectuată de mașină, pornind de la intrări aleatorii, se poate adapta la un anumit model.
Această sarcină destul de bizară a fost aleasă pentru a se potrivi cu specificul unui computer cuantic, dar și pentru a compara aceeași procesare pe un computer clasic.
Un experiment de mică relevanță practică, chiar dacă există o credință larg răspândită că computerele cuantice, în timp, ar putea fi capabile să se ocupe de chestiuni de importanță practică și mai normale pentru viața oamenilor obișnuiți.
Acestea ar putea avea legătură cu proiectarea de noi medicamente și materiale sau învățarea automată. Mai mult, ar putea face ca codurile criptografice să fie învechite care, astăzi, protejează secretele lumii.
De la biți la qubiți
Calculatoarele cuantice folosesc trei concepte. Una este „suprapunerea cuantică”, adică ideea din spatele celebrei pisici moarte și vie a lui Schrödinger. Spre deosebire de biții clasici, care pot avea doar două stări - una sau zero - qubiții pot fi o combinație a ambelor.
Mașina Google, de exemplu, are 53 de qubiți, care între ei pot reprezenta aproape zece milioane de stări posibile care se suprapun.
Al doilea este „încurcarea”. Leagă particulele cuantice împreună în timp și spațiu. În computerele standard, fiecare bit este strict legat de starea următorului.
Qubiții în calculul cuantic sunt foarte împletite. Operațiile matematice asupra qubiților suprapusi și încurși pot acționa simultan, într-o măsură mai mare sau mai mică, asupra tuturor qubiților într-un singur proces de calcul.
Cum funcționează un computer cuantic
Un calcul cuantic începe prin apropierea de qubiți unul câte unul. Pentru a simplifica cât mai mult posibil, se poate spune că face un qubit unul sau zero, apoi îl intersectează cu vecinul său. Odată ce a făcut asta, el lasă regulile fizicii cuantice să lucreze cu stările și legăturile qubiților care evoluează în timp.
În cele din urmă (dar nu înainte, deoarece ar strica calculul), qubiții sunt examinați simultan pentru un răspuns.
Principala sarcină este de a identifica răspunsul corect printre un miliard de răspunsuri incorecte. Aici intervine a treia idee, cea contra-intuitivă.
În fizica clasică, probabilitățile trebuie exprimate în numere pozitive. Să presupunem că există 30% șanse de ploaie. Mecanica cuantică folosește un concept înrudit numit „amplitudini”. Acestea pot fi atât negative, cât și pozitive.
Trebuie să faci ca amplitudinile care reprezintă răspunsuri greșite să se anuleze reciproc, în timp ce cele care le reprezintă pe cele corecte ies la iveală. În acest fel, dezvoltatorii pot aborda cu o aproximare acceptabilă soluția corectă.
În laborator este mai complex
Aceasta este explicația găsită în manuale. În laborator, lucrurile se complică. Suprapozițiile cuantice și corelațiile cuantice sunt fenomene extrem de delicate.
De exemplu, mișcarea ondulatorie a moleculelor adiacente le poate întrerupe și face un calcul dificil.
Majoritatea proiectelor dezvoltate pe calculatoare cuantice necesită ca mașinile să fie menținute la temperaturi mai scăzute decât cele din spațiul cosmic și să fie găzduite în încăperi speciale.
De asemenea, este nevoie de mult personal specializat pentru a urmări procesele de procesare.
Problema de detectare a erorilor
Cu toate acestea, nici priceperea extremă a oamenilor de știință și nici condițiile ideale de laborator nu pot preveni apariția erorilor.
Cea mai mare problemă cu care se confruntă oamenii de știință cuantici este găsirea și corectarea erorilor în calcul. După cum am spus, dezvoltarea aplicațiilor practice cu calculul cuantic necesită mult, mult mai multă procesare decât dispozitivele tradiționale. La această scară, riscul de erori crește foarte mult.
Această stare de lucruri a determinat marile companii din industria calculatoarelor, precum IBM, Intel și Microsoft, și cele mai strălucite minți, precum Chad Rigetti, să construiască kituri de dezvoltare din ce în ce mai bune și mai puțin defecte.
Algoritmi eficienți
În paralel cu această cursă pentru a construi mașini mai bune este cursa pentru a dezvolta algoritmi cuantici eficienți. Cel mai cunoscut caz de până acum este probabil algoritmul de factoring conceput de Peter Shor în 1994 la Bell Labs.
Shor a dezvoltat un algoritm matematic cu un turbocompresor cuantic care permite factorizarea rapidă a numerelor întregi în numerele lor prime componente.
Ceva care îi sperie pe criptografi, un grup de oameni de știință a cărui valoare este apreciată în raport cu dificultatea de a realiza ceea ce face algoritmul lui Shor.
Dar dacă computerele cuantice sunt într-adevăr să reușească, atunci sunt necesari noi algoritmi. Dezvoltarea unor astfel de algoritmi va fi facilitată de faptul că multe dintre aplicațiile practice (proiectarea medicamentelor, materialelor etc.) depind însele de procese cuantice.
Acesta, de fapt, este și motivul pentru care până acum a fost dificil să se dezvolte astfel de aplicații.
Puține dispozitive?
În ciuda promisiunii de calcul cuantic, mulți cercetători din domeniu sunt incomod cu expresia „supremația cuantică”. Sunt inconfortabil pentru că apariția supremației cuantice implică un punct de basculanță care, odată trecut, trimite zeci de ani de calcul aplicat la mansardă în numele a ceva ciudat și uimitor.
Și, în ciuda „înainte” și „după” pe care le determină documentul Google, construirea de dispozitive cuantice eficiente care să aibă aplicații practice nu va fi o cale ușoară.
majoritatea oamenilor cred că este un pariu să prezice că calculul cuantic va înlocui computerul clasic. Aspectele practice legate de funcționarea calculatoarelor cuantice la temperaturi foarte scăzute sunt un exemplu.
Guvernele, marile corporații și cele mai bogate universități vor avea, fără îndoială, propriile lor mașini. Alții vor închiria timp pe dispozitive conectate la versiunile cuantice ale cloud-ului. În orice caz, numărul total de calculatoare cuantice va fi limitat.
Și e bine că este. În orice caz, s-ar putea să avem un oarecare scepticism cu privire la această predicție, privind înapoi la începuturile computerului clasic, care era un lucru pentru aleși. În 1943, Thomas Watson, pe atunci șeful IBM, a declarat: „Cred că ar putea exista o piață mondială pentru, poate, cinci computere”. Predicție incorectă a unui factor, poate un miliard de factori.
Din The Economist din 26 septembrie 2019
