Computerele cuantice sunt adesea prezentate drept următoarea generație de mașini de calcul. Ele se bazează pe legile mecanicii cuantice (comportamentul ciudat al particulelor subatomice) pentru a procesa informațiile.
În prezent, computerele cuantice sunt prea mici, prea dificil de întreținut și prea predispuse la erori pentru a putea concura cu cele mai bune computere clasice. Cu toate acestea, numeroși experți se așteaptă ca, într-o zi, calculele cuantice să fie utilizate cu eficiență pentru a îndeplini sarcini specifice.
Tehnologiile care permit calculul cuantic au progresat foarte mult în ultimii ani. Într-o bună zi ele ar putea fi capabile să rezolve probleme care sunt prea complexe chiar și pentru cele mai puternice computere convenționale de astăzi. Acest salt masiv în performanță ar putea deschide calea pentru noi utilizări în industria farmaceutică, modelarea climatică și producție, domenii care se bazează pe simulări imense.
Diferența între computerele cuantice și computerele clasice
Computerele clasice procesează datele utilizând biți binari, care se pot afla într-una din două stări: 0 sau 1. Biții sunt codificați în tranzistori, care pot fi fabricați din siliciu, germaniu sau alte materiale semiconductoare.
Computerele cuantice utilizează particule precum electronii sau fotonii, care se comportă ca biți cuantici (qubiți) și reprezintă o suprapunere (superpoziție) atât a 0, cât și a 1 – ceea ce înseamnă că pot exista în mai multe stări simultan. Legile stranii ale mecanicii cuantice înseamnă, de asemenea, că qubiții pot deveni inseparabili (entangled) – adică stările mai multor qubiți sunt legate în ciuda distanței dintre aceștia.
Cum funcționează calculatoarele cuantice?
Calculatoarele cuantice au o structură reprezentativă de candelabru. Această structură găzduiește o serie de tuburi și fire interconectate care conțin diferitele straturi ale computerului. Majoritatea computerelor cuantice sunt conectate la aparate frigorifice masive, care răcesc procesoarele aproape de zero absolut pentru a minimiza interferențele termice și vibrațiile. Toate computerele cuantice au o arhitectură ușor diferită, dar tind să aibă următoarele elemente:
- planul de date cuantice – găzduiește qubiții și este locul undele datele sunt procesate prin intermediul porților cuantice. Unii qubiți sunt realizați din superconductori solizi răciți până aproape de zero absolut, iar alții folosesc câmpuri electromagnetice pentru a capta ioni în camere cu vid înalt. Vidul minimizează interferențele cauzate de vibrații și stabilizează qubiții.
- planul de măsură și control – convertește un semnal digital de la procesor (care utilizează calculul clasic) în semnale analoage utilizate în planul de date cuantice.
- planul procesorului de control și procesorul gazdă – implementează algoritmi cuantici, care sunt o secvență de operații concepute să ruleze pe un computer cuantic. După efectuarea unui calcul cuantic, procesorul gazdă transmite un semnal digital clasic către planul de măsură și control.
- software-ul cuantic – introducerea datelor de ieșire de la procesor în planul de măsură și control necesită un alt element – software-ul cuantic, care este alcătuit din algoritmi cuantici.
De ce avem nevoie de computere cuantice?
În teorie, computerele cuantice ar trebui să fie mult mai rapide decât computerele clasice și să rezolve simultan mai multe probleme complexe. Ele sunt promițătoare mai ales în cazul sarcinilor de optimizare, care implică descoperirea celei mai bune soluții pentru o problemă.
Computerele clasice se confruntă cu dificultăți atunci când o problemă are un număr extrem de mare de soluții posibile. În schimb, computerele cuantice ar putea lua în considerare toate soluțiile potențiale și ar putea găsi rapid soluția optimă. Descoperirea medicamentelor și știința materialelor, unde în prezent sunt utilizate cele mai rapide computere convenționale, sunt două exemple de utilizare a computerelor cuantice.
De asemenea, computerele cuantice ar putea transforma inteligența artificială (AI). Sistemele de AI sunt instruite pe baza unor seturi imense de date, deci computerele cuantice ar permite utilizare unui volum și mai mare de informații, ducând astfel la sisteme tot mai sofisticate.
De ce calculatoarele cuantice sunt dificil de construit?
Computerele cuantice sunt delicate și susceptibile la interferențe din surse externe, cum sunt modificările de temperatură sau particulele rătăcite. Atunci când există interferențe, qubiții sunt susceptibili la pierderea corenței sau la colapsul stării lor cuantice.
Pierderea coerenței face computerele cuantice mult mai predispuse la erori decât computerele clasice. De exemplu, în cazul computerelor convenționale, doar aproximativ un bit dintr-un miliard de miliarde de biți eșuează, în timp ce rata de eroare a qubiților este de 1 la 1.000, adică de un milion de ori mai multe erori.
Deși există modalități de protejare a computerelor cuantice față de influențele din exterior, erorile pot totuși să apară. Oamenii de știință au creat algoritmi cuantici pentru a compensa aceste erori, dar aceștia necesită qubiți pentru a rula, reducând astfel numărul de qubiți disponibili pentru procesarea datelor.
O altă particularitate a mecanicii cuantice este faptul că observarea sau măsurarea directă a stării unei particule aflate în superpoziție duce la distrugerea acesteia. Această însemnă că inginerii trebuie să utilizeze soluții complicate pentru a citi starea cuantică a rezultatului, deoarece observarea directă riscă să corupă datele.
Cum vor schimba lumea calculatoarele cuantice?
Computerele cuantice vor fi o tehnologie disruptivă odată ce vom atinge supremația cuantică – punctul în care calculatoarele cuantice pot depăși cele mai bune calculatoare clasice. Dar este incert când oamenii de știință vor construi un calculator cuantic suficient de puternic, cu milioane de qubiți.
Chiar și atunci, calculatoarele clasice vor rămâne cea mai ușoară modalitate de a rezolva majoritatea problemelor. Computerele cuantice vor fi folosite doar pentru a aborda probleme care depășesc capacitățile calculatoarelor clasice.
Un domeniu care va fi probabil afectat, însă, este criptarea, care protejează datele sensibile, cum ar fi înregistrările financiare și informațiile personale. Metodele moderne de criptare se bazează pe probleme matematice care sunt prea complexe pentru a fi rezolvate de computerele clasice. Cu toate acestea, un computer cuantic ar putea să le rezolve cu ușurință. Criptografia cuantică este acum un domeniu înfloritor, deoarece cercetătorii încearcă să dezvolte o criptare rezistentă la calculul cuantic pentru a proteja datele sensibile de la a fi sparte de computerele cuantice.
Sursa: Live Science