Calculul cuantic: este mecanica cuantică următoarea superputere în domeniul calculatoarelor? Understand article

Lucruri stranii: descoperiți calculatoarele cuantice, care se bazează pe o nouă abordare a calculului, o abordare ce exploatează comportamentul ciudat al particulelor subatomice.

2025 este Anul Internațional al Științei și Tehnologiei Cuantice (IYQ), an ce recunoaște cei 100 de ani de dezvoltare a mecanicii cuantice și își propune să conștientizeze publicul cu privire la importanța științei cuantice. O aplicație importantă este calculul cuantic, dar ce este de fapt calculul cuantic? Prin ce diferă aceasta de calculul informatic clasic, și de ce constituie el obiectul unor cercetări atât de intensive în întreaga lume?

Povestea începe cu atomii, care sunt elementele constitutive de bază ale materiei și care joacă un rol crucial în procesele naturale prin abilitatea lor de a stoca, transforma și elibera energie. Cuvântul ‘atom’ datează din filosofia antică greacă, dar în urmă cu aproximativ 200 de ani oamenii de știință au început să studieze în detaliu atomii și particulele lor subatomice – precum electronii, protonii și neutronii. Pe măsură ce am aflat mai multe, am descoperit un comportament ciudat și imprevizibil la scară subatomică, ceva care contrazice experiențele noastre cu materia la scară macroscopică, adică în viața “de zi cu zi”.

Această contradicție aparentă – materia comportându-se diferit pe măsură ce coborâm în detaliile ei intime – a dus la dezvoltarea mecanicii cuantice, o întreagă ramură a fizicii dedicată înțelegerii acestor fenomene noi, fenomene pe care Albert Einstein le-a descris ca fiind “înfricoșătoare”. În timp ce sistemele de calcul actuale sunt limitate de abordări liniare – ceea ce creează limitări de capacitate –, proprietățile neobișnuite ale particulelor subatomice dețin un potențial incredibil pentru calcul și pentru depășirea limitelor modelelor computaționale actuale.  

Principiile mecanice cuantice + Calculatoare = Calculatoare cuantice

Calculatoarele sunt dispozitive electronice care procesează, stochează și manipulează eficient date prin derularea de algoritmi predefiniți și prin efectuarea de calcule, rezolvând astfel probleme ce acoperă de la aritmetică simplă și până la diverse optimizări complexe. Mai precis, computerele au procesoare care execută instrucțiuni bazate pe modificarea valorilor biților, iar acești biți pot avea valoarea 0 (oprit) sau 1 (pornit) și constituie unitățile elementare de informație. Secvențele de biți, adică de 1 și de 0, reprezintă informații în cod binar. Pe de altă parte, calculatoarele cuantice reprezintă o tehnologie de vârf, deoarece redefinesc nucleul calculului prin utilizarea qubiților (biți cuantici), care operează pe baza principiilor mecanicii cuantice mai degrabă decât pe baza fizicii clasice, așa cum fac biții din calculatoarele electronice.

Aceasta ne ridică două întrebări: Care sunt acele proprietăți fizice speciale pe care se bazează calculatoarele cuantice? Și pentru ce aplicații și programe am putea folosi aceste noi dispozitive? Să explorăm mai mult aceste subiecte!

Superpoziția

O caracteristică importantă a particulelor cuantice este abilitatea lor de a exista în mai multe stări posibile în același timp, caracteristică descrisă cel mai bine ca o ‘suprapunere‘ a tuturor stărilor posibile, ceea ce înseamnă că, probabilistic, particulele dețin valori diferite în același timp.

În claculul eletronic clasic, cuvântul bit provine de la ‘unitate binară’ (BInary uniT) și se referă la codificarea binară a informațiilor folosind biți care pot avea fie valoarea 0, fie valoarea 1. Pe de altă parte, qubiții pot exploata caracteristica superpoziției particulelor cunatice, și astfel pot să mențină simultan valorile de 0 și 1, până la măsurare. Acest aspect face computerele cuantice să fie mult mai rapide atunci când se încearcă diferite opțiuni.

În lumea noastră cotidiană, de mărime naturală, acest lucru ar fi ca și cum ar trebui să ajungi la un concert în cealaltă parte a orașului, în timpul orei de vârf, și ai putea lua simultan toate căile posibile pentru a ajunge acolo cât mai repede posibil.

Entanglement (Legături implicite)

O altă caracteristică a particulelor cunatice este că ele rămân ‘sincronizate’ chiar și atunci când sunt separate de distanțe mari, ceea ce numim entanglement. Entanglement-ul este un fenomen cuantic în care două sau mai multe particule devin legate/cuplate, iar ulterior modificarea de stare a uneia se iterează instantaneu și în starea celeilalte, indiferent cât de departe sunt acestea.

Imaginează-ți că tu și prietenul tău aveți două monede magice. Ambele monede ar putea arăta fie cap, fie pajură. Însă imediat ce moneda prietenul tău își răsucește fața, și moneda ta își va întoarce fața (cap sau pajură), indiferent de cât de departe sunteți unul fa
ță de celălalt.

În calcultoarele clasice, informațiile despre felul în care se manipulează biții trebuie să treacă prin procesor, unde semnalele electrice călătoresc prin circuite pentru a derula instrucțiunile și pentru a efectua în ordine cronologică operațiuni pe biți. Calculatoarele cuantice pot evita acești pași suplimentari de comunicare folosind entanglement-ul: acest efect instantaneu se întâmplă chiar mai repede decât lumina! De aici derivă potențialul calculatoarelor cuantice de a fi mai rapide.

Calcul cuantic versus calcul clasic

Așa cum am văzut, qubiții folosiți în calculul cuantic prezintă proprietăți foarte diferite față de biții din calculul electronic clasic.

Proprietățile de superpoziție și de entanglement ale particulelor cuantice oferă oportunități unice pentru calculul cuantic. Odată cu trecerea principiilor fundamentale ale calculului de la fizica clasică la mecanica cuantică folosind superpoziția și entanglement-ul, calculatoarele cuantice au un potențial imens. Limitările privind puterea de procesare în calculul clasic încep deja să fie simțite în aplicații de mare intensitate, precum sistemele de calcul hiperscalar și rețelele neuronale. Potențialul de calcul mult crescut al calculatoarelor cuantice înseamnă că acestea ar putea fi utilizate pentru a rezolva probleme considerate în prezent ca fiind nerezolvabile, accelerând în același timp drastic sarcinile cu care se luptă astăzi calculatoare electronice de înaltă performanță, cum ar fi găsirea rutei optime între mai multe stații (așa-numita problemă a comisului voiajor). Cu toate acestea, starea actuală a tehnologiei cuantice are și unele limitări serioase.

Calcul clasic	Calcul cuantic
Calculatoarele clasice lucrează cu biți.	Calculatoarele cuantice lucrează cu qubiți (q-biți)
Imagine adaptată din Donwoo Lee et al./MDPI	Imagine adaptată din Donwoo Lee et al./MDPI
Un bit poate avea una dintre cele două stări: 1 sau 0. Doi biți pot reprezenta doar una dintre cele patru stări posibile (00, 01, 10, 11). Astfel, creșterea capacității de calcul odată cu creșterea numărului de biți este liniară.	Acești qubiți pot reprezenta simultan cele două stări diferite ale unui bit clasic. Astfel, doi qubiți pot reprezenta simultan patru valori (2 × 2). Aceasta ar însemna că puterea de calcul crește exponențial!
Calculatoarele clasice pot fi folosite la temperatura camerei și au rate mici de eroare.	Calculatoarele cuantice trebuie menținute la temperatură foarte joasă și sunt foarte sensibile la perturbații externe. De exemplu, fluctuațiile de temperatură sau interferențele electromagnetice pot perturba stările cuantice fragile pe care se bazează, ceea ce duce la rate de eroare ridicate.
Mai toate procesările de zi cu zi pot fi gestionate de calculatoare clasice, inclusiv motoare de căutare, hărți online și instrumente AI generative.	Calculatoarele cuantice pot fi folosite pentru optimizări complexe și pentru analize largi de date. Oamenii de știință speră să rezolve cu ajutorul lor problemele nerezolvabile de astăzi.

Criptografia și calculul cuantic

Criptografia este știința securizării informațiilor. Ea ne protejează mesajele online, tranzacțiile bancare și parolele, transformându-le în coduri secrete. Una dintre cele mai comune metode de criptare este RSA – numită după Rivest, Shamir și Adleman, care au scris algoritmul în 1977 – și se bazează pe dificultatea factorizării numerelor mari. Ei bine, calculul cuantic ar putea schimba acest lucru datorită avantajelor qubitilor față de biți, care – așa cum s-a discutat mai sus – permit calculatoarelor cuantice să rezolve mult mai rapid probleme complexe.

O preocupare majoră este Algoritmul lui Shor, un algoritm cuantic care poate sparge rapid criptarea RSA prin găsirea tuturor factorilor primi pentru un număr întreg. Dacă mai-puternicele calculoare cuantice devin realitate, atunci metodele de criptare actuale ar putea fi în pericol. Pentru a se pregăti pentru această eventualitate, cercetătorii deja dezvoltă criptografie post-cuantică, care să includă tehnici de criptare pe care nici măcar calculatoarele cuantice nu le pot sparge.

În ciuda acestor provocări, tehnologia cuantică oferă și noi modalități de securizare a comunicării. Distribuirea de chei cuantice (QKD) se bazează pe proprietățile fundamentale ale mecanicii cuantice (cum ar fi faptul că măsurarea unui sistem cuantic îl și perturbă) pentru a genera chei de criptare într-un mod care să permită detectarea încercărilor de ‘interceptare’.

În viitor, calculul cuantic ar putea atât compromite cât și îmbunătăți securitatea cibernetică. Înțelegerea acestei tehnologii este crucială pentru protejarea informațiilor digitale!

De la nivelul subatomic înapoi în lumea de zi cu zi

În ciuda potențialului său imens, construirea la scară largă de calculatoare cuantice este o sarcină extrem de dificilă.^[1] Începând cu anul 2025 există dispozitive cu aproximativ 1200 de qubiți fizici, însă avem nevoie de dispozitive cu mii sau chiar milioane de qubiți pentru a rezolva problemele complexe de optimizare pe care le vizăm. Qubiții fizici sunt actualmente qubiții bazați pe hardware. Însă pentru a rezolva probleme din lumea reală avem nevoie de qubiți logici. Un qubit logic este un qubit stabil și fiabil, realizat prin combinarea mai multor qubiți reali pentru a proteja împotriva erorilor. Acestă protejare asigură un calcul fiabil și precis, dar nevoia de qubiți logici înseamnă că sunt necesari și mai mulți qubiți fizici.

Qubiții, unitățile de bază ale informației dintr-un calculator cuantic, sunt foarte sensibili și pot fi ușor perturbați de mediul înconjurător sau chiar între ei. Acest lucru face ca realizarea de calculatoare cuantice mai mari să fie extrem de provocatoare. Cu cât se adaugă mai mulți qubiți, cu atât devine mai greu să fie menținuți stabili și să funcționeze corect împreună. Stabil înseamnă că qubiții își pot menține starea cuantică suficient de mult timp pentru a efectua calcule fără a fi afectați de zgomotul exterior sau de interferențe. Dacă un qubit interacționează prea mult cu mediul său – atomii din apropiere, căldura sau undele electromagnetice – el poate pierde proprietăți cuantice importante, cum ar fi entanglement-ul. Această pierdere a ‘cuanticității’ duce la greșeli în calcule, o problemă numită decoerență cuantică.^[2,3]

Pe lângă companii precum IBM, Google și Microsoft, țări precum Statele Unite și China, dar și națiuni europene, se întrec în a construi primul calculator cuantic la scară largă, cu suficienți qubiți conectați și funcționali pentru a rezolva probleme din lumea reală.^[2] Acestea au dezvoltat deja calculatoare cuantice la scară mică, unde pot fi testate primele aplicații, unde cercetătorii pot câștiga experiență în modul de folosire a acestora, și unde companiile pot testa dacă ele funcționează corect.

Concluzie

Calculatoarele cuantice sunt un nou tip de dispozitiv care folosește principiile mecanicii cuantice, în locul celor din fizica clasică, pentru a crește viteza de calcul și pentru a rezolva probleme ce nu au în momentul actual nicio soluție. Ideea de calculator cuantic poate suna acum a science-fiction, dar ele devin rapid realitate! Dacă sunteți la fel de fascinați ca noi, vă puteți alătura Națiunilor Unite pentru a face din 2025 Anul Științei și Tehnologiei Cuantice.

---

Download

Download this article as a PDF

---