Revista >> Mai 2023 [Nr. 254] >> Cercetare & Invatamant superior

Alte repere din cercetarea quantum computing

Mircea Badut

17 Mai 2023

Deja putem specula că, pe piață, quantum computing se va manifesta mai întâi sub formă de servicii (un fel de SaaS) rulând pe echipamente deținute de organizații avansate în cercetarea QC (precum Google și IBM). Este însă probabil ca, în materie de hardware, primele materializări comerciale să apară în domenii adiacente, precum telecomunicațiile. Oricum, deocamdată cercetarea vizează mai multe direcții, și ne facem datoria de a puncta realizările din domeniu, pentru că unele dintre ele vor constitui mai târziu repere de istorie. (Eventual vedeți și articolul Quo vadis Quantum Computing? din Market Watch nr. 222/2020; www.marketwatch.ro/articol/16797/Quo_vadis_Quantum_Computing/)

Dinspre cercetarea fundamentală
Începem cu câteva experimente și realizări din sfera generării și controlării particulelor cuantice care pot juca rol de q-bit (quantum-bit).
În 2017, lumea cercetării științifice înregistra o realizare deosebită: Laboratorul Național de la Los Alamos (SUA) punea la punct o instalație-experiment care folosea nano-tuburi de carbon pentru a emite fotoni solitari la temperatura camerei și la lungimi de undă aplicabile în telecomunicații. (Emiterea de fotoni singulari, definită teoretic de peste 100 de ani, a mai fost obținută în ultimele decenii, însă doar experimental și cu limitări severe de aplicabilitate.)
Cinci ani mai târziu, în revista de cercetare Nature se publica un articol interesant despre o realizare experimentală cu entanglement de fotoni (www.doi.org/10.1038/s41586-022-04987-5). O echipă de fizicieni de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică a realizat un experiment în care se puteau genera până la 14 fotoni aflați în entanglement (adică într-o "conexiune" de coerență a stărilor cuantice). Instalația avea potențialul de a fi adaptată pentru a suporta diverse stări cuantice aplicabile în experimente „de aval", aspectul acesta constituind până acum o gâtuire în fluxul Quantum Computing. (Pentru a folosi eficient eventualul calculator cuantic, nucleul acestuia trebuie să aibă la dispoziție grupuri mari de particule aflate în conexiune de coerență). Până anul trecut, generarea de fotoni în (stare de) entanglement se putea obține doar în condiții speciale/pretențioase, folosind cristale neliniare, în număr mic și cu slabe posibilități de controlare a stărilor cuantice. Metoda dezvoltată la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică extinde net numărul de fotoni coerenți generați, și conferă nivelul de controlabilitate necesară în Quantum Computing. (Membrii echipei spun că alegerea fotonilor ca particule cuantice cu rol de q-biți are anumite avantaje, date de robustețea și manevrabilitatea lor în comparație cu alte particule cuantice.) Experimentul a folosit un atom de rubidiu, plasat într-o cavitate optică (rezonator optic vidat, având la interior oglinzi cu suprafețe conice), iar pentru a controla starea acestui atom s-a folosit lumină laser. Utilizând un impuls adițional, cercetătorii au putut declanșa emiterea câte unui foton singular aflat în stare de conexiune cuantică cu starea atomului. Prin rotirea progresivă a atomului de rubidiu confiat în cavitatea rezonantă s-a obținut o serie de 14 fotoni conectați cuantic între ei. Pe lângă cantitatea semnificatică de fotoni emiși în stare de entanglement, experimentul a devenit un reper în evoluția domeniului QC și prin metoda inovativă de generare și de controlare a particulelor cuantice (fiecare impuls de control determinând emiterea unui foton cu proprietățile dorite).

Repere din cercetarea aplicată
În octombrie 2019, o echipă de cercetători de la Universitatea Tehnică din Viena anunțau punerea la punct a unui protocol de măsurare a fazei electronilor, fiind și acesta un pas înainte înspre monitorizarea stării cuantice a particulelor angajabile în quantum computing.
În 2016 specialiștii de la Google anunțau prima oară simularea unei molecule de hidrogen folosind tehnologie QC. (Remarcabil era atunci faptul că instalația a redus semnificativ erorile cuantice, erori care survin inerent când se analizează simultan mai mulți qubiți, știind că starea acestora poate fi perturbată de orice interferență exterioară, inclusiv de procedurile de monitorizare/citire.) În 2021, folosind o nouă versiune a instalației
Sycamore de la Google, o echipă de la Stanford a obținut rezultate deosebite în studierea materiei în formă condensată. (www.nature.com/articles/s41586-021-04257-w)
Printr-o serie de experimente din 2016, cercetătorii de la Universitatea Harvard au pus la punct un material ce are atât potențial de interacțiune coerentă la nivelul electronilor cât și proprietăți topologice. (Izolatorii topologici sunt materiale care conduc electricitatea la suprafață, iar înspre interior se comportă ca izolatori electrici.) S-au analizat atunci efectele dispersiei prin atomii acelor materiale asupra momentelor electronilor manipulați (spinul electronilor). Modularea și dependența momentului electronilor de energia de propagare și de proprietățile acelor izolatori topologici deschideau perspective noi pentru protejarea qubiților de efectul pierderii coerenței stării cuantice. (www.nature.com/articles/s41567-019-0700-8)
Tot din acea locație geografică aflam în 2021 că o echipă condusă de la Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms a dezvoltat un model de calcualtor cuantic programabil lucrând pe 256 de qubiți. (Tot de la Universitatea Harvard poate ar trebui menționat și sistemul de control al q-biților bazat pe tehnologia CRISPR, vizând manipularea prin intermediul unor proteine modificate genetic.)
Cercetătorii de la Universitatea Yale au creat un dispozitiv cuantic de procesare a informației bazat pe particule cuantice individuale. Acest dispozitiv a demonstrat că este posibilă construirea unor circuite cuantice cu mai mult de 50 de qubiți. Două dintre direcțiile de aplicare vizau modelele electromagnetice ale circuitelor superconductoare (cu particule în joncțiuni Josephson) și respectiv spinul electronilor captați în semiconductoare de tip quantum dots. (seas.yale.edu/news-events/news/combining-two-approaches-advance-quantum-computing)

De la echipa Basel Quantum Center aflăm despre o serie de realizări interesante folosind materie condensată (reușindu-se în premieră europeană controlarea simultană a 10 qubiți) dar şi în sfera fotonicii (inclusiv prin conectarea a două sisteme cuantice folosind fibră optică). În martie 2023 cercetătorii de la Universitatea din Basel au dovedit posibilitatea de a manipula și identifica grupuri mici de fotoni corelați. (www.nature.com/articles/s41567-023-01997-6)
Anul trecut compania IBM anunța că în 2023 va lansa procesorul IBM Quantum Heron rulând pe 133 de qubiți, bazat pe o arhitectură folosind facilitățile Circuit Knitting (partiționarea circuitelor cuantice mari în subcircuite, și reîmpletirea rezultatelor parțiale pentru obținerea rezultatului complet) și Quantum Serverless (o inerfață cu utilizatorul care permite rularea facilă de algoritmi cuantici complecși, sarcinile putând fi distribuite intern la mai multe QPU-uri). Tot atunci era anunțat și controller-ul de memorie cryo-CMOS de 4K realizat miniatural în tehnologie FinFET de 14nm. De altfel, în noiembrie 2022, IBM deja anunța un alt record: construirea unui quantum computer, Osprey, lucrând cu 433 qubiți, adică cu mult peste cei 127-qubiți ai propriului record anterior (și peste cei 53 de qubiți ai calculatorului Google Sycamore).
Uneori pași aceștia ne pari mari, alteori mici, deși relevanța lor adevărată o va da doar timpul, și nu o va face neapărat în curând.
Deocamdată nu au apărut (și nici măcar nu s-au prevestit) soluții de Quantum Computing care să aibă aplicabilitate practică cât de cât comparabilă cu cea a calculatoarelor electronice. În plus, deseori există confuzii în știrile din sfera/direcția aceasta, neînțelegeri/erori induse nu doar de dificultatea tehnico-științifică a domeniului, ci și de nerăbdarea publicului. Da, deocamdată QC rămâne un domeniu destul de „ezoteric". Însă, prin pașii (mai mici sau mai mari) pe care îi fac diversele echipe de cercetători din lumea mare, se întăresc speranțele că într-un viitor nu prea îndepărtat calculatoarele cuantice se vor dezvolta suficient pentru a rezolva probleme importante din domenii mai pretențioase, precum fizica, chimia, biologia sau climatologia. (Deși probabil că mai curând vom vedea în calculatoarele electronice anumite componente lucrând la nivel cuantic.)