Google a anunțat în toamna anului 2019 că a demonstrat „supremația cuantică” – adică a efectuat un calcul cuantic specific, mult mai rapid decât s-ar fi putut realiza pe cele mai bune calculatoare clasice. IBM a criticat prompt afirmația, spunând că propriul super-calculator clasic ar putea efectua calculul la aceeași viteză, cu o fidelitate mult mai mare și că anunțul Google ar trebui luat „cu o doză mare de scepticism”.
Nu e prima dată când cineva a fost pus la îndoială cu privire la calculul cuantic. Anul trecut, Michel Dyakonov, fizician în cadrul Universității din Montpellier, Franța, a oferit o serie de motive tehnice pentru care super-calculatoarele cuantice practice nu vor fi niciodată construite.
Prin urmare, cum poți da speranță la ceea ce se întâmplă?
Un fost angajat, care a lucrat la calcularea cuantică de mai mulți ani, crede că din cauza erorilor aleatorii, inevitabile în hardware, este foarte probabil să nu construiască calculatoare cuantice utile.
Ce este un calculator cuantic?
Pentru a înțelege de ce, trebuie să înțelegem cum funcționează calculatoarele cuantice, deoarece acestea sunt fundamental diferite de calculatoarele clasice.
Un calculator clasic folosește 0 și 1 pentru a stoca date. Aceste cifre ar putea fi tensiuni pe diferite puncte ale unui circuit. Un calculator cuantic funcționează pe biți cuantici, cunoscuți și sub denumirea de qubiți (quantum bit). Ne putem imagina că sunt asociate cu amplitudinea și faza.
Qubiții au proprietăți speciale: ei pot exista în suprapunere, unde ambele codificări sunt 0 și 1, în același timp. De asemenea, pot fi încurcați, astfel încât să împărtășească proprietăți fizice, chiar dacă pot fi separați de distanțe mari. Acesta este un comportament care nu există în lumea fizicii clasice. Suprapunerea dispare atunci când interacționează cu un experimentator în stare cuantică.
Datorită suprapunerii, un calculator cuantic cu 100 de qubiți poate reprezenta 2100 de soluții simultan. Pentru anumite probleme, acest paralelism exponențial poate fi valorificat pentru a crea un avantaj extraordinar al vitezei. De exemplu, unele probleme de „code-breaking” ar putea fi rezolvate mai rapid pe o mașină cuantică.
Există o altă abordare mai restrânsă a calculării cuantice, numită recuperare cuantică, unde qubiții sunt utilizați pentru a accelera problemele de optimizare. D-Wave Systems, cu sediul în Canada, a construit sisteme de optimizare care utilizează qubiți în acest scop, dar criticii susțin, de asemenea, că aceste sisteme nu sunt mai bune decât computerele clasice.
Oricum ar fi, companiile și țările investesc sume masive de bani în calculul cuantic. China a dezvoltat o nouă unitate de cercetare cuantică în valoare de 10 miliarde de dolari, în timp ce Uniunea Europeană a elaborat un plan principal de 1,1 bilioane de dolari. Actul cu privire la inițiativa cuantică pentru Statele Unite, prevede 1,2 miliarde de dolari pentru promovarea științei informației cuantice, pe o perioadă de cinci ani.
Spargerea algoritmilor de criptare reprezintă un factor motivant, puternic pentru multe țări – dacă ar putea face acest lucru cu succes, le-ar oferi un avantaj enorm de informații. Dar aceste investiții promovează și cercetarea fundamentală în fizică.
Multe companii fac eforturi pentru a construi calculatoare cuantice, inclusiv Intel și Microsoft, pe lângă cea de la Google și IBM. Aceste companii încearcă să construiască un hardware care să reproducă modelul de circuit al computerelor clasice. Cu toate acestea, sistemele experimentale actuale, au mai puțin de 100 de biți. Pentru a obține performanțe de calcul utile, probabil am avea nevoie de mașini cu sute de mii de qubiți.
Corecție de zgomot și eroare
Matematica care stă la baza algoritmilor cuantici este bine stabilită. Totuși există ingineri care caută soluții la provocările îngrijorătoare care au rămas încă neclarificate.
Pentru ca toate calculatoarele să funcționeze corect, aceștia trebuie să corecteze toate micile erori care apar aleatoriu. Într-un calculator cuantic, astfel de erori apar din elementele de circuit non-ideale și din interacțiunea qubiților cu mediul din jurul lor. Din aceste motive, qubiții pot pierde coerența într-o fracțiune de secundă și, prin urmare, calculul trebuie finalizat chiar și în mai puțin timp. Dacă erorile aleatorii – care sunt inevitabile în orice sistem fizic – nu sunt corectate, rezultatele calculatorului vor fi inutile.
În calculatoarele clasice, zgomotul mic este corectat de un concept cunoscut sub numele de prag. Funcționează la fel ca rotunjirea numerelor. Astfel, în transmisia de numere întregi unde se știe că eroarea este mai mică de 0,5, dacă ceea ce se primește este 3,45, valoarea primită poate fi corectată la 3.
Alte erori pot fi corectate prin introducerea redundanței. Astfel, dacă 0 și 1 sunt transmise ca 000 și 111, atunci cel puțin o eroare de biți din timpul transmisiei poate fi corectată cu ușurință: un 001 primit ar fi interpretat ca 0, iar un 101 primit ar fi interpretat ca 1.
Codurile cuantice de corectare a erorilor sunt o generalizare a celor clasice, dar există diferențe cruciale. Una din acestea fiind qubiții necunoscuți, care nu pot fi copiați pentru a include redundanța ca tehnică de corectare a erorilor. În plus, erorile prezente în datele primite înainte de introducerea codificării de corectare a acestora nu pot fi ajutate.
Criptografie cuantică
Deși problema zgomotului este o provocare serioasă în implementarea calculatoarelor cuantice, nu este la fel și în criptografia cuantică, unde oamenii se ocupă de un singur qubit. Acest lucru se întămplă deoarece, qubitul singur poate rămâne izolat de mediu pentru o perioadă semnificativă de timp. Folosind criptografia cuantică, doi utilizatori pot schimba numerele foarte mari, cunoscute sub numele de chei, care securizează date, fără ca nimeni să poată rupe sistemul de schimb al cheilor. Un astfel de schimb ar putea ajuta la securizarea comunicațiilor între sateliți și ambarcațiuni navale. Dar algoritmul efectiv de criptare utilizat după, schimbarea cheii, rămâne clasic și, prin urmare, criptarea nu este teoretic mai puternică decât metoda clasică.
Criptografia cuantică este utilizată comercial, în sens limitat, pentru tranzacțiile bancare de mare valoare. Dar, deoarece cele două părți trebuie autentificate folosind protocoale clasice și pentru că un lanț este la fel de puternic ca legătura cea mai slabă, nu este atât de diferit de sistemele existente. Băncile încă utilizează un proces de autentificare bazat pe sistemul clasic, care, în sine, ar putea fi folosit pentru a schimba cheile fără pierderea securității generale.
Tehnologia de criptografie cuantică trebuie să se concentreze asupra transmiterii cuantice a informațiilor, dacă va deveni semnificativ mai sigură decât tehnicile criptografiei existente.
Provocări de calcul cuantic la scară comercială
În timp ce criptografia cuantică are unele promisiuni de rezolvare a problemelor pentru transmiterea cuantică, nu putem spune că același lucru este valabil și pentru calculul cuantic generalizat. Corecția erorilor, care este fundamentală pentru un computer cu mai multe funcțiuni, este o provocare atât de importantă pentru calculatoarele cuantice, încât nu cred că vor putea fi construite vreodată la scară comercială.
