UVT, catalizator al mișcării academice timișorene, își urmează calea spre cunoașterea aprofundată și trecerea către tehnologiile viitorului și ale noilor generațiiUniversitatea de Vest din Timișoara este astăzi cea mai dinamică instituție de învățământ superior din România, o universitate care se...
Alte iterații Quantum-Computing
Întâmplarea (sau poate o cauzalitate determinabilă) face ca la un secol de la primele studii în acel domeniu al fizicii numit mecanică cuantică să apară primele promisuni concrete de exploatare a stăriilor cuantice ale particulelor, și respectiv primele aplicații (senzori, cronometrie, comunicații, codificare, informatică).
Context și perspective
Fizicienii au avut nevoie de aproape un secol de cercetare fundamentală pentru a explora și pentru a modela fenomenele cuantice (stările, relațiile și interacțiunile particulelor și ale atomilor/moleculelor), iar lucrurile nu s-au încheiat. Însă acum, nerăbdătoare, omenirea vrea rezultate chiar dacă specialiștii încă n-au ajuns la abordări convergente, iar eventualele tehnologii sunt încă în faze experimentale. Speranțele în direcția QC sunt un pic exagerate, iar piețele se agită, însă nu atât în privința comercializării (unde quantum-ul rămâne o nișă), cât mai degrabă în privința investițiilor (atât guvernamentale cât și private).
Din perspectivă culturală este interesant de remarcat și faptul că cercetările din domeniul aplicării cuanticii au „cumulate” peste zece Premii Nobel.
Din perspectivă tehnico-științifică rămân valabile pe mai departe abordările deja revelate anterior (pentru materializarea de procesoare cuantice, pentru realizarea de componente destinate telecomuncațiilor, pentru conceperea de senzori speciali): capcane de atomi neutri, capcane de ioni; controlarea/exploatarea stării fotonilor; anomalii optice active; puncte cuantice în materiale solide; materiale supraconductoare; ș.a.
Interesant este că se reliefează și o perspectivă a resurselor umane. Se caută, spre angajare, persoane care să fie specialiști în (sau să fie familiarizați cu): fizica particulelor; optică atomică/moleculară; condensatul Bose-
Einstein (acesta fiind o stare a materiei manifestată la temperaturi apropiate de zero absolut, în care particulele cuantice au energie minimă). Dar sunt adesea cerute și cunoștințe/competențe de inginerie electronică, de proiectare opto-mecanică, de proiectare/realizare MEMS, de tehnologie manufacturieră, de modelare digitală, de programare software, de algoritmizare, de analizare a datelor. Observăm aici și cerințe transdisciplinare, la care nu este ușor de răspuns, fiind vorba de un domeniu nou, nedocumentat, neorganizat (și deocamdată neorganizabil) – un domeniu la care învățământul răspunde cu greu, și la care experiența/practica individuală de-abia se înfiripă. Însă apar totuși inițiative vizând problema competenței profesionale, atât instituționale (multe universități au inclus în curiculă discipline/capitole „cuantice”), cât și private (precum webinarele pentru instruire în domeniile quantum computers, quantum networks și quantum sensing organizate de compania Hamamatsu).
Așteptări și concretizări
Se poate observa că societatea înțelege cu greu faptul că acel „calculator cuantic” nu urmează să înlocuiască actualul și atât-de-ubicuul calculator electronic. Și nu este nici vorba de o schimbare de paradigmă în informatică (cel puțin nu în viitorul apropiat), ci de un model alternativ, cu aplicări particulare, de nișă (așa cum încercam să subliniez și în articolele anterioare despre QC). Este adevărat, probabil că următoarele generații de calculatoare electronice (servere, PC-uri, smartphone-uri) vor include componente/dispozitive exploatând efecte cuantice (memorie internă, memorie de stocare, conexiuni/magistrale), însă ele vor păstra mult timp arhitectura actuală (derivând din modelul von Neumann și lucrând cu electronică digitală în logică binară).
De altfel, astăzi avem mai multe aplicări de quantum communication și quantum sensing decât de quantum computing, și lucrurile se vor menține așa pentru un timp. Eventual observăm și faptul că motivațiile acestor direcții diferă. De exemplu, comunicațiile cuantice nu au ca obiectiv creșterea vitezei sau a capacității de transfer al datelor, ci sunt motivate de potențialul efectelor cuantice de a furniza chei de criptare puternice pentru transmiterea securizată a datelor clasice/digitale. Se vorbește totuși (dar cu verbe conjugate mai degrabă la timpul viitor) despre rețele cuantice dedicate transmiterii de informație cuantică nativă (alcătuind eventual un internet cuantic), adică informație alcătuită din qubiți și asamblată după algoritmi cuantici. Sunt discutate inclusiv aspecte tehnice, precum acela că fibrele optice, fiind destinate să transmită lumină (adică fotoni multipli, care fac față la atenuări sau la zgomotul de fond), vor avea totuși probleme în a transmite fotoni individuali pe distanțe foarte mari, întrucât fotonul singular nu poate fi amplificat sau divizat. Și dacă tot am ajuns la ideea de foton singular, vom nota faptul că dispozitivele de generare și de recepționare a fotonilor trebuie concepute în acest sens pentru telecomunicațiile/rețelele cunatice, dar putem considera cu optimism lucrurile de vreme ce ele s-au ivit până și într-un produs de masă precum Samsung Galaxy Quantum.
Speculații și potențial
Să ne apropiem un pic de ideea aceasta a fotonului singular, ca purtător de informație cuantică!
Pe de o parte, se știe că măsurarea (citirea) stării fotonului singular îi poate altera acestuia starea (fiind acesta un aspect negativ cunoscut de multicel în domeniul cuantic). De asemenea, când este vorba de doi fotoni aflați în starea specială de interconexiune (entanglement-ul însemnând, și aici, o anume coerență împerecheată a stărilor celor două particule), măsurarea (citirea) stării unuia dintre fotoni poate rupe/anula acea coerență.
Pe de altă parte, după cum se știe din optica clasică, starea de polarizare a unui foton este limitată la două posibilități – orizontal sau vertical –, ceea ce nu oferă mai multă libertate decât codificarea digitală cu doi biți. (Da, polarizarea fotonilor este o soluție practică pentru codificarea informației cuantice deoarece este ușor de manevrat/controlat, inclusiv prin dispozitive/elemente folosite în optica liniară.) Însă, pe lângă starea de polarizare, fotonul poate avea și alte proprietăți/stări – culoare, moment/spin, poziție, timp de sosire – ceea ce adaugă câteva grade de libertate în posibilitățile de codificare a informației cuantice (și astfel confirmându-se sintagma codificare multi-dimensională). Mai mult, probabil că în exploatarea practică a fotonilor se pot angaj/exploata și conceptele clasice de multiplexare a semnalelor cuantice sosite prin mai multe fibre optice.
Prin anii 1990, experimentele au dovedit potențialul cuanticii pentru criptarea telecomunicațiilor prin cablu și prin fibră optică; pe atunci a și apărut acronimul QKD (Quantum Key Distribution). În 2016 s-au făcut primele experimente concrete de securizare a comunicațiilor satelitare folosind fotoni cuplați, în China. Iar în 2017, cercetătorii au realizat o conexiune via satelit (pentru transmitere de conținut video) între Beijing și Vienna, și au securizat-o trimițând separat secvențe de fotoni atât către emițător (China), pentru a însoți semnalul util via satelit, cât și către receptor (Austria), pentru a verifica semnalul util receptat via satelit. Mai aflăm și că recent o echipă de cercetători de la Institutul Fraunhofer din Jena a demarat construirea unui satelit de telecomunicații cu criptare QKD (CubeSat). Și încheiem paragraful amintind ideea de bază: dacă cineva încearcă să intercepteze nepermis fluxul de semnal transmis, se distruge starea de coerență a cuplurilor de fotoni utilizați cu rol de criptare, și deci accesarea ilegală a conținutului este contracarată.
Recent, tot de la Institutul Fraunhofer din Jena, aflăm și despre o sursă de fotoni singurlari bazată pe conceptul VCSEL concept (laser emis din cavitate verticală), promițând o bună imunitate spectrală și temporală, o calitate înaltă a polarizării și o scalabilitate robustă pentru aplicațiile practice.
Alternative în probe
Deși experimentele și realizările în direcția Quantum Computing arată o aplicabilitate radical diferită de cea a calculatoarelor electronice, ele exploatează de cele mai multe ori modelul/conceptul numit gate-based quantum computer, adică folosesc componente fizice pentru a găzdui și a controla qubiții, ceea ce are similarități cu abordarea convențională, unde circuite electronice digitale găzduiesc și controlează biți. (Tranzistorul este un dispozitiv controlat prin poartă.) Însă aflăm că există și abordări în care calculul cuantic devine mai degrabă probabilistic, deci îndepărtându-se de practica deterministă.
În vara anului trecut, o echipă de cercetători japonezi publica în revista Nature Communication (www.nature.com/articles/s41467-023-39195-w) o prezentare a calculatorului cuantic bazat pe măsurători pe care l-au conceput la centrul RIKEN. Un astfel de measurement-based quantum computer procesează informația exploatând o stare cuantică complexă, numită cluster state, și care constă în mai mulți qubiți legați între ei printr-un entanglement. Experimentele s-au făcut cu sisteme optice, deoarece starea și agregarea fotonilor se controlează mai ușor decât în cazul altor particule/entități cuantice, și deci este mai fezabilă scalarea (mărirea) sistemului pentru a lucra în regim probabilistic. Calculatorul cuantic bazat pe măsurători lucrează făcând o măsurătoare asupra primului qubit din cluster: rezultatul acestei măsurători determină ce fel de măsurătoare trebuie realizată asupra celui de-al doilea qubit din grupul coerent (proces numit feedforward), și rezultatul măsurătorii secunde va determina cum trebuie măsurat al treilea qubit. În această manieră – adică prin alegerea seriilor potrivite de măsurători succesive – se poate emula (implementând printr-un fel de programare) orice tip de circuit logic.
În loc de încheiere
Departe de maturizare, Quantum-Computing este un domeniu în evoluție tehnico-științifică, așa că încheiem reiterarea noastră menționând și câteva inițiative destinate să polarizeze/catalizeze această evoluție: • platforma germană PhoQuant de colaborare concretă în domeniul QC; • evenimentul European Conference on Integrated Optics 2024, din iunie 2024; • Quantum Summit 2024, Berlin; • European Quantum Technologies Conference 2024, Lisabona; • QuantuMatter 2025, Grenoble; • European Quantum Technologies Conference 2025, Copenhaga; • European Conference on Trapped Ions, Amsterdam; • Supercomputing Conference for High Performance Computing, Missouri; • International Conference on Quantum Information Science and Technology 2025, Kolkata; etc.
Parerea ta conteaza: 
Stocarea datelor digitale
