Revista >> Martie 2020 [Nr. 222] >> IT&C

Quo vadis Quantum Computing?

Mircea Badut

19 Martie 2020

Deşi au trecut ceva ani de la primele cercetări concrete de calcul cuantic, deşi publicaţiile de specialitate semnalează tot mai frecvent despre mici realizări în domeniu, încă suntem departe de vreun calculator cuantic utilizabil pentru aplicaţii generale, aşa cum sunt calculatoarele electronice. Însă lucrurile merg avântat mai departe, motivate atât de promisiunile specifice „quantum computing“ (scalabilitatea net superioară a problemelor adresabile), cât şi de limitările deja prefigurate în dezvoltarea performanţelor calculatoarelor electronice.

Reiterări teoretice
Am scris primul meu articol despre Quantum Computing în urmă cu şase ani şi ceva (pentru revista CHIP nr.10/2013), şi, în ciuda timpului trecut, încă am curajul să-l recomand pentru lectură. Pe de altă parte, chiar dacă în ultimii ani cercetarea în acest domeniu s-a intensificat şi s-a extins geo-spaţial (astăzi mai toate universităţile din lume având-o în programă, într-o formă sau alta), domeniul nu a cunoscut consacrarea populară (încă nu avem calculatoare cuantice comerciale, iar în lume există destule confuzii şi neînţelegeri privitoare la QC), astfel că articolele despre acest subiect încă sunt nevoite să înceapă cu o minimă introducere în teoria domeniului.

Fizica cuantică încearcă de aproape un secol să explice natura şi comportamentul materiei/energiei la nivel atomic şi subatomic, iar cercetările din ultimele decenii au confirmat sau elucidat fenomenele respective. Revenind la oile noastre, cele digitale, reţinem că recent s-au împlinit 60 de ani de la apariţia primei lucrări prin care se enunţa posibilitatea folosirii efectelor cuantice pentru calcul algoritmic („There s Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics“, Richard Feynman, Caltech, SUA). Însă de-abia în ultimii ani eforturile de cercetare s-au orientat concret înspre manipularea stărilor cuantice ale materiei/energiei pentru a obţine rezultate precise, măsurabile şi coerente aplicabile în informatică.

Dacă încercăm să urmărim cercetările propuse la nivel mondial, şi respectiv să monitorizăm rezultatele apărute în diversele publicaţii de specialitate, vom fi uimiţi atât de miriada manifestărilor QC, cât şi de diversitatea (sau chiar dispersia) direcţiilor de studiu. Deocamdată, în toată această manifestare browniană nu s-a decantat/reliefat soluţia categorică pentru aşteptatul calculator cuantic de uz general (fiind şi acesta un motiv pentru care eu încă prefer să folosesc doar sintagma generică „calcul cuantic“), deşi există astăzi vreo trei-patru echipamente experimentale care, cu indulgenţă, ar putea fi numite astfel (IBM Q, Google/D-Wave, QuTech, Intel). Însă poate mai important este că multe cercetări vizează folosirea QC la rezolvarea unor probleme concrete dar parţiale, precum stocarea datelor, criptare şi telecomunicaţii.

Manifestări de qubiţi
O parte din cercetările QC au ca obiectiv aplicări practice, cu potenţial comercial (aşa cum ar fi şi eventualul calculator cuantic universal), însă unele sunt orientate către exploatarea efectelor particulare ale entităţilor cuantice, respectiv înspre aplicarea principiilor superpoziţiei şi entanglement-ului.

Entanglement: o pereche de entităţi/particule cuantice, generate/încărcate simultan, îşi păstrează aceeaşi stare iniţială (acelaşi qubit, fie acesta materializat prin sarcină electrică, spin, fază, polarizare, lungime de undă, etc) chiar şi după călătoria pe trasee diferite (precum fotonii pe fibra optică). Din perspectiva quantum computing, proprietatea este valoroasă deoarece altfel, pe calea de la sursă la destinaţie, starea cuantică a particulelor s-ar pierde foarte uşor. Este deci vorba de o proprietate de sincronism şi coerenţă în transmiterea datelor. Nicidecum nu înseamnă că este posibilă transmiterea între cele două particule cuantice a unei stări noi, impuse ulterior emiterii acelor qubiţi, aşa cum se poate crede la o primă lectură a definiţiei entanglement-ului.

Dacă la calculatorul electronic entitatea elementară este bitul, care de obicei este agregat în grupuri de 8, 16, 32 sau 64 de biţi, şi care este materializat prin stări electrice sau magnetice, aici entitatea de calcul este q-bit-ul (sau qubitul), şi el se doreşte a fi materializat prin stări cuantice ale unor particule/entităţi (sub)atomice, moleculare sau fotonice. (Astăzi, printre cele mai exploatate tehnologii de nucleu QC sunt capcanele de atomi/ioni, superconductorii/semiconductorii (precum joncţiunile Josephson, constând din alăturarea a două materiale superconductoare separate cu o barieră de semiconductori), sistemele fotonice, nanotuburile de carbon, punctele cuantice, golurile de azot din diamante, etc.) Astfel, starea logică a unui qubit poate corespunde unei stări cuantice, de genul: sarcină electrică (atom/ion), prezenţă particulă subatomică (electron, proton), stare de rotaţie/spin (particulă subatomică), moment magnetic (electron), polarizare (foton), ş.a.m.d. Aşa se face că cea mai importantă parte a cercetărilor QC vizează manipularea şi caracterizarea materialelor potrivite pentru crearea de qubiţi. Acestea presupun fie studierea materialelor la nivel atomic/molecular (nanometric), fie analizarea şi exploatarea de efecte subatomice. De multe ori asta înseamnă realizarea dispozitivelor experimentale de capturare (confiere) a unor particule, şi respectiv a subsistemelor de înscriere/citire a stărilor cuantice ce vor constitui respectivii qubiţi (qubiţi care să fie puşi la treabă într-un CPU, într-o memorie sau într-un circuit de comunicaţie).

Revenim acum la fenomenul cunatic de superpoziţie amintit anterior, deşi la înţelegerea lui nu ne ajută analogia cu calculatorul electronic (care foloseşte biţi cu două stări foarte distincte, 0 sau 1). În context cuantic, principiul superpoziţiei ne spune că un qubit poate avea simultan cele două stări (iar un cuvânt de doi qubiţi ar putea reprezenta patru stări deodată: 00, 01, 10, 11). Deocamdată specialiştii în QC nu prea au reuşit să ne spună nici cum se captează (citeşte) această stare, şi nici cum se poate ea folosi într-un algoritm de calcul clasic (deşi există deja algoritmi specifici QC). Ba, mai mult, în cazul celuilalt efect cuantic particular, entanglement-ul (care se referă la legătura menţinută între perechi de particule după separare), s-a ajuns chiar şi la confuzii semantice (catalizate şi de cercetări mai exotice, precum cele vizând „teleportarea“). Dar trebuie să recunoaştem că, pentru moment, înţelegerea la scară largă a modului de funcţionare şi respectiv de programare a viitoarelor calculatoare cuantice este stânjenită de obişnuinţa noastră de a gândi în logica binară şi respectiv în maniera maşinii von Neumann (specifice calculatoarelor electronice actuale).

Reformulăm esenţialul: pentru funcţionarea nucleului de calcul cuantic trebuie ca sistemul să îngăduie: (1) iniţializarea grupului de qubiţi (înscrierea unei stări logice utile în fiecare element cuantic), (2) derularea algoritmului de calcul, şi (3) citirea stărilor finale ale qubiţilor. Una dintre dificultăţile majore constă aici în menţinerea neîntinată a stărilor qubiţilor până la citirea acestora, deoarece particulele cuantice sunt instabile şi influenţabile. (Timpii de parcurgere a porţilor logice cuantice trebuie să fie inferiori timpilor de contaminare. Reţinem faptul că starea utilă a particulelor cuantice implicate în procesare îşi păstrează coerenţa doar pentru câteva microsecunde.) Cealaltă problemă spinoasă rezidă în interfaţarea dintre nucleul cuantic (particulele/entităţile care materializează qubiţii) şi subsisteme adiacente (memorii, registre, magistrale), subsisteme care deocamdată sunt clasice, adică electronice sau optice.