Descoperirile recente aduc calculul cuantic mai aproape de realitate
Căutarea construirii unui computer cuantic practic, o provocare care i-a fascinat pe fizicieni și informaticieni încă din anii 1980, capătă un impuls fără precedent. Descoperirile recente au determinat firmele de tehnologie să dezvăluie planuri care ar putea vedea mașinile cuantice crescând de la construcții experimentale la sisteme viabile, la scară largă, capabile să rezolve probleme dincolo de raza de acțiune a supercomputerelor de astăzi.
Calculul cuantic, considerat mult timp un obiectiv îndepărtat, se apropie de realitate pe măsură ce firmele de tehnologie de top conturează noi planuri pentru construirea de mașini scalabile. În iunie, IBM a lansat o foaie de parcurs actualizată despre care spune că rezolvă câteva dintre cele mai dificile obstacole tehnice ale domeniului, pregătind terenul pentru ceea ce ar putea fi cea mai decisivă perioadă a industriei.
„Nu mai pare un vis. Chiar simt că am spart codul și vom putea construi această mașină până la sfârșitul deceniului,” a declarat pentru Financial Times Jay Gambetta, liderul inițiativelor cuantice de la IBM.
În ciuda progreselor recente, drumul de urmat rămâne plin de obstacole formidabile. Chiar și după ce cercetătorii au rezolvat problemele fundamentale de fizică, producătorii încă se confruntă cu provocări inginerești descurajante. Oskar Painter, care conduce dezvoltarea hardware-ului cuantic la Amazon Web Services, a avertizat că construirea unui computer cuantic practic va necesita un efort ingineresc masiv și ar putea dura încă 15 până la 30 de ani.
Prototipurile cuantice actuale folosesc de obicei mai puțin de 200 de qubiți – echivalentul cuantic al biților din computerele convenționale – dar atingerea unor mașini cu utilitate industrială reală va necesita sisteme cu un milion sau mai mulți. Provocarea este imensă, în mare parte deoarece qubiții rămân în stările lor cuantice doar pentru fracțiuni de secundă. Pe măsură ce inginerii adaugă mai mulți qubiți, interferența, sau „zgomotul”, se multiplică, făcând calculul fiabil exponențial mai dificil.
Această provocare a devenit clară cu cipul Condor de la IBM, care conține 433 de qubiți. Scara cipului a introdus „diafonia” (crosstalk), un tip de interferență între componente care a subminat performanța.
„Adunarea unui număr mai mare de qubiți în acest fel creează un efect bizar pe care nu-l mai putem controla,” a spus Subodh Kulkarni, CEO al Rigetti Computing. „Aceasta este o problemă de fizică greu de rezolvat.”
IBM a răspuns prin reproiectarea cuplelor sale – legăturile care conectează qubiții – pentru a reduce vulnerabilitatea sistemului la interferențe. Sistemele de testare anterioare se bazau pe o „reglare” individuală laborioasă a qubiților, o metodă care nu poate fi scalată la dispozitive mai mari. Acum, producătorii dezvoltă qubiți cu fiabilitate și eficiență mai mari, necesitând progrese continue în știința materialelor și producție. Google își propune să reducă costurile componentelor de zece ori, stabilind un obiectiv de 1 miliard de EUR pentru un computer cuantic la scară completă.
O piatră de temelie a scalabilității este corecția cuantică a erorilor, o metodă care permite sistemelor să tolereze qubiți imperfecți. Prin distribuirea datelor pe mai mulți qubiți, corecția erorilor introduce redundanță pentru a proteja împotriva defecțiunilor. Julian Kelly, șeful hardware-ului la Google Quantum AI, a avertizat că scalarea sistemelor prea devreme ar putea irosi resurse, ar putea produce rezultate zgomotoase și ar putea consuma un efort ingineresc semnificativ fără a oferi rezultate practice.
Google a demonstrat un cip cuantic care efectuează corecția erorilor la o scară tot mai mare. Folosește o tehnică numită cod de suprafață, în care fiecare qubit se conectează la vecinii săi într-o grilă bidimensională. Atingerea unui calcul semnificativ cu această configurație ar necesita mai mult de un milion de qubiți. IBM, în schimb, urmărește coduri de verificare a parității de joasă densitate care ar putea reduce necesarul de qubiți cu aproximativ 90 la sută, dar depind de conexiuni complicate pe distanțe lungi. Kelly a avertizat că aceste conexiuni adaugă noi straturi de complexitate unor sisteme care sunt deja extrem de dificil de controlat. Cu toate acestea, IBM a raportat o descoperire recentă în dezvoltarea unor astfel de conectori.
Cele mai notabile progrese provin de la qubiții construiți cu circuite supraconductoare, așa cum sunt utilizați în mașinile IBM și Google. Aceste sisteme trebuie să funcționeze aproape de zero absolut și sunt notoriu de greu de controlat. Alte abordări folosesc ioni captivi, atomi neutri sau fotoni ca qubiți. Deși aceste abordări oferă o stabilitate inerentă mai mare, scalarea și integrarea unui număr mare de qubiți rămâne o provocare practică formidabilă.
„Costurile și provocările tehnice ale încercării de a scala vor arăta probabil care sunt mai practice,” a spus Sebastian Weidt, director executiv la Universal Quantum, un startup care dezvoltă ioni captivi.
Weidt a subliniat că sprijinul guvernamental în anii următori ar putea juca un rol decisiv în a determina ce tehnologii cuantice se vor dovedi viabile, limitând în cele din urmă domeniul la o mână de companii capabile să aducă un sistem la scară completă.
Interesul larg răspândit pentru calculul cuantic atrage atenția atât a investitorilor, cât și a agențiilor guvernamentale. Anul trecut, brațul de cercetare avansată al Pentagonului, DARPA, a lansat o revizuire amplă pentru a identifica tehnologiile cuantice cele mai susceptibile de a obține o adoptare industrială rapidă, selectând un grup de companii de top pentru a testa ce abordări ar putea oferi sisteme practice și scalabile.
Firme precum Amazon și Microsoft explorează stări exotice ale materiei în căutarea unor qubiți mai fiabili. Aceste tehnologii de nouă generație sunt încă în stadii incipiente, deși susținătorii susțin că ar putea depăși în cele din urmă mașinile cuantice de astăzi. Deocamdată, liderii industriei continuă să perfecționeze și să scaleze arhitecturile vechi, dezvoltate de-a lungul anilor de cercetare de laborator.
„Doar pentru că este greu, nu înseamnă că nu se poate face,” a spus Horvath despre industria aflată acum la un pas de o revoluție tehnologică.
