Nivelul actual al tehnologiei cuantice: un frigider mai mic și alte idei în perspectivă

Și unul din subiectele despre care citesc cu înfrigurare este cel al calculatoarelor cuantice. Printre toate celelalte beneficii tehnologice uriașe ale generației noastre, avem și ocazia de a observa pe viu cum se pregăteste viitoarea revoluție în tehnologia de calcul.  

Calculatoarele devenite deja “clasice”, pe care le avem cu toții pe birou sau în smartphone/tabletă/smartwatch sau alte dispozitive smart folosesc o paradigmă binară: 1 și 0. Un ‘bit’ clasic, că unitate minimă de lucru, poate avea oricare din aceste valori, insă, pe rând, doar câte una din ele. Folosind circuite din ce în ce mai minuscule care aplică această paradigmă, tehnologia asta a ajuns aproape de limitele ei fizice, nici frecvențele procesoarelor nu pot fi prea ușor crescute dincolo de 4-5 GHz, nici nu pot fi înghesuite mai multe miez-uri de calcul (core-uri) într-o pastilă de silicon - acum distanța dintre aceste miezuri se măsoară în câțiva nanometri, adică la a milionimea parte din milimetru.  

Având în vedere aceste limitări, evident că giganții industriei caută alternative pentru a crește radical puterea de calcul. Una din alternative este această direcție numită quantum computing, care s-a dezvoltat în paralel cu paradigma clasică, de zeci de ani încoace, doar că mult mai încet, pentru că presupune observarea de fenomene care se întâmplă la dimensiuni foarte foarte mici, de sub un nanometru.

Această tehnologie folosește qubiți (quantum biți) în loc de biții clasici de mai sus, adică niște sisteme de mecanică cuantică observabile. Qubiții adaugă la valorile 1 și 0 și principiul incertitudinii, și în felul ăsta, un qubit e considerat că având în mod simultan și valoarea 1 și valoarea 0, alegerea fiind făcută la momentul observării. Spre deosebire de electronica de până acum, care folosește diverse componente prin care ori trece curentul ori nu (generând valorile 1 și respectiv 0), electronica de peste câteva zeci de ani va putea folosi acest fel de tehnici de observare ale fenomenelor cuantice (quanții fiind cele mai mici forme de existență a materiei/energiei) care au niște proprietăți speciale complexe (superposition și entanglement, prea complicate pentru a fi explicate aici, insă despre care găsiti pagini întregi de ecuații pe Wikipedia).

Cu ce ne ajută asta? Păi, la calcule foarte-foarte, dar foarte complexe, cum ar putea fi de exemplu cele din domeniul ingineriei genetice (hihi, eu asta voiam să fac când eram mic) unde calculatoarele clasice, oricâte procesoare/ core-uri / thread-uri au (acestea sunt core-uri virtuale, o altă găselniță menită să mai crească puterea de calcul),  sunt limitate o dată de puterea lor totală și apoi de faptul că rezolvă problemele/instrucțiunile în mod liniar, una câte una, testând variantele de răspuns/soluțiile tot liniar, una câte una, pe fiecare core/thread în parte.

Ori principalul avantaj al tehnologiei cuantice este că acești qubiți, pe baza modului lor de funcționare descris mai sus, pot calcula simultan toate variantele variantele de răspuns ale unei probleme, ceea ce reduce cu ordine întregi de mărime timpul necesar pentru cele mai complexe calcule de care e capabilă în acest moment omenirea. (pentru anumite probleme, un computer cuantic a fost estimat că poate să le rezolve de 100 de milioane de ori mai repede decât unul clasic, adică poate face într-o secundă ce i-ar luă cam 10.000 ani unuia clasic).

Asta însă presupune următoarele lucruri: să știi să programezi un calculator cuantic, pentru că modul său de operare e complet diferit de cel clasic, apoi, să ai acces la unul (multe companii tech oferă deja acces prin cloud la astfel de platforme) și, nu în ultimul rând, să ai de rezolvat o problemă atât de complexă încât să fie necesară tehnologia asta și să merite toate eforturile de mai sus (asta nu garantează nici că în prezent tehnologia asta poate face în mod eficient fix calculul de care ai tu nevoie, pentru că momentan doar o parte din tipurile de probleme/calcule îi pot folosi avantajele, e ca la tehnologia celulelor STEM).

IBM și Google au, după cum spuneam, platforme prin care oferă acces fie la simulatoare fie direct la procesoare care folosesc tehnologia quantum computing, și din punctul asta de vedere suntem la nivelul anilor ’80 în tehnologia clasică, atunci când calculatoarele erau mari cât o cameră/casă întreagă și universitățile sau alte instituții interesate de cercetare aveau acces prin terminale care foloseau în regim de time-sharing procesoarele uriașe.  

Și calculatoarele cuantice de azi ocupă camere uriașe, nu pentru că ar fi foarte multe piese care să ocupe foarte mult spațiu fiecare, ci pentru că toată minunea descrisă mai sus se întâmplă doar la sau aproape de temperatură de zero absolut. Care din păcate nu e cea pe care o simțim noi iarna, ci zero grade Kelvin adică -273.15 Celsius. Da, un procesor cuantic trebuie răcit la minus două-sute-șaptezeci-și-trei de grade celsius, că să funcționeze. De aceea și Google și IBM și toate celelalte companii care construiesc astfel de computere trebuie să facă mai întâi frigiderele uriașe și ultra-performante care să le poată menține în stare de lucru.

Acum câteva zile, la târgul de tehnologie CES din Las Vegas, IBM a lansat “primul computer quantic comercial”, care e practic în primul rând un frigider mai mic, capabil să țină 20 de qubiți la temperatura necesară operării. Nu e nimic nou la nivel de tehnologie pentru că în ziua de azi prin internet poți avea acces la orice platformă de calcul, inclusiv de quantum computing, însă e într-adevăr un pas pe drumul dinspre calculatorul cât o casă la cel de sub birou.  

La fel cum tehnologia clasică folosește 32 sau 64 de biți simultan, și quantum computing-ul poate folosi mai mulți qubiți simultan, însă aici nu există un standard, fiecare producător încearcă să înghesuie cât mai multe astfel de sisteme quantum într-un calculator, ajungând de la câteva zeci la sute sau chiar mii. Imaginați-vă frigiderul necesar pentru asta sau vedeți imaginea de mai jos.

Doar că, așa ca în ghidul autostopistului galactic, nu va fi suficient să avem calculatorul care  știe să ne dea răspunsul final despre viață, univers și tot ce există, ci va trebui să  știm  exact, în cel mai  mic detaliu, ce vrem să aflăm și cum să formulăm întrebarea:)