Calculatorul cuantic

Calculatorul cuantic

Se cuvine sa precizam ca unul dintre cei ce au pus bazele teoretice ale calculatorului cuantic este un roman de-al nostru, un matematician, stabilit in prezent la Auckland, Noua Zeelanda, domnul Cristian Calude. Acesta ii spunea domnului Alexandru Mironov, intr-un interviu aparut in numarul 3/2004 al revistei noastre: "Calculatorul cuantic va domina stiinta, nu numai in informatica si matematica, ci si in toate compartimentele ei.". De aceea credem ca ar fi util sa descriem principiile de baza ale unui asemenea calculator, care nu mai este nicidecum un obiect ce tine de SF, ci unul care tinde sa intre in lumea reala.

Retele de atomi Cele mai puternice calculatoare din zilele noastre sunt, simplist vorbind, niste felii subtiri de siliciu pe care sunt asezate milioane de tranzistoare. Calculatoarele de maine ar putea sa fie complet diferite, niste cristale artificiale fabricate cu ajutorul fasciculelor laser. Manipuland asemenea fascicule cercetatorii ar putea realiza structuri tridimensionale, similare cutiilor de carton pentru oua. Fiecare dintre "adanciturile" dintr-o asemenea "cutie" ar putea "adaposti", in mod controlat, atomi, asa cum suratele lor macroscopice adapostesc oua. Oricare dintre acesti atomi ar putea fi folosit pentru a efectua calcule la nivel cuantic, transformand intregul cristal in cel mai rapid procesor imaginat vreodata.

Cercetatorii asteapta clipa in care vor reusi sa realizeze asemenea capcane de atomi, cu ajutorul carora sa poata folosi proprietatile bizare si fascinante ale lumii cuantice. Deja suntem capabili sa capturam atomi solitari in "microcapcane"  create cu ajutorul fasciculelor laser ce "izbesc" atomul din directii diferite. De fapt, ne folosim de fenomenul cunoscut sub numele de interferenta. Atunci cand doua fascicule interfereaza se produc alternante de franje luminoase si intunecate, iar in anumite conditii, franjele luminoase pot deveni adevarate capcane pentru atomi. Pentru viitor, cercetatorii au programe cu mult mai ambitioase, crearea de structuri de 100 de atomi, in care fiecare atom va avea o pozitie bine stabilita, ca intr-un cristal, cu ajutorul fasciculelor laser. De aici incolo ne putem baza pe imaginatie. Imaginati-va ca am putea scrie si citi informatie pe fiecare dintre acesti atomi, controland pozitia lor. Dar lucrurile nu sunt deloc simple. Atomii au miscari dezordonate, datorita agitatiei termice. De aceea este necesar sa ii racim foarte mult, pana in apropierea lui 0 Kelvin, aducandu-i astfel intr-o noua stare de agregare a materiei, numita condensat Bose-Einstein, o stare in care toti atomii se comporta ca si cum ar fi unul singur. Fizicianul Imanuel Bloch, de la Universitatea din Mainz, Germania, a realizat un prim pas in acest sens. El a reusit sa creeze o structura ordonata de atomi aflati in condensat Bose-Einstein, pozitionandu-i cu ajutorul a sase lasere. Modificand controlat intensitatea fasciculelor laser, Bloch a fost capabil sa scoata sau sa introduca atomi in structura creata, dupa dorinta. Cu siguranta acesta este un prim pas catre calculatorul cuantic, calculatorul viitorului.

Pensete pentru atomi O alta cale pentru a manevra atomi individuali este aceea de a-i extrage dintr-un condensat Bose-Einstein, folosindu-se o "penseta" cuantica, "fabricata" tot din lumina laser. La Universitatea Austint, Texas, fizicianul Mark Raizen lucreaza la realizarea unei "pensete cuantice" din lumina, care ar putea "prinde" si "manevra" atomi individuali dintr-un condesat Bose-Einstein. "Seamana oarecum cu pescuirea pestilor din apa cu ajutorul unei plase, explica Raizen, avem o plasa, penseta optica, si un lac, condesatul Bose-Einstein." In prezent echipa lui Raizen lucreaza cu doua tipuri de condensaturi, unul realizat din atomi de rubidiu, altul din atomi de sodiu. In fiecare dintre ele, oamenii de stiinta au reusit sa aranjeze cateva sute de atomi in linie, dupa care au folosit penseta optica Rezultatele sunt inca departe de a putea fi aplicate in practica. Dar modelarile teoretice arata ca ar putea veni vremea in care acest "pescuit cuantic" ar putea oferi solutii pentru realizarea de dispozitive in care calculele ar putea fi efectuate la nivelul atomilor.

Corelarea cuantica Dar cea mai stranie proprietate a lumii cuantice, ce ar putea fi utilizata in realizarea calculatoarele viitorului, poarta numele de corelare (entanglement) cuantic. Credem ca o analogie ar putea sa ne ajute sa definim, nu neaparat foarte exact, aceasta proprietate. "Imaginati-va ca aruncati o moneda si cade, sa zicem, cap. In acest caz stim exact ca cealalta fata a monedei este pajura (evident, daca moneda este netrucata) si aceasta fara sa mai fie nevoie sa ne uitam la ea. In mod asemanator, doua particule aflate intr-o stare de corelare cuantica, separate de o distanta arbitrara (sa zicem ca una se afla pe Luna si cealalta pe o planeta din sistemul Alfa Centauri), sunt legate, starile lor depinzand una de cealalta. Daca masuram starea particulei aflata pe Luna, vom sti cu siguranta ca cea din sistemul Alfa Centauri se afla in starea exact opusa si aceasta indiferent de tipul de masurare efectuat." (Am citat din excelentul articol despre calculatorul cuantic, unde veti gasi si alte informatii interesante, articol publicat de Iulia Maria Buluta in numarul 4-5/2003 al revistei noastre.) Corelarea cuantica pare a fi una dintre cheile calculatorului cuantic, deoarece cu ajutorul ei putem stoca si citi informatie. In calculatoarele obisnuite unitatea de informatie este bitul, care poate avea valoarea 0 sau 1. In calculatorul cuantic unitatea minima de informatie este qubit-ul care poate fi in acelasi timp si 0 si 1 sau, intr-o alta exprimare, poate avea una dintre cele doua valori cu o anume probabilitate. Deocamdata nu putem descrie foarte exact cum va arata calculatorul cuantic, dar despre pasii de acum stim cate ceva. De exemplu, cei mai buni candidati pentru stocarea de qubiti par a fi atomii individuali si fotonii. Atomii au avantajul ca pot fi "fixati" intr-un anume loc, asa cum aratam mai sus. Fotonii au avantajul ca pot transporta informatie. Pana in prezent s-a reusit corelarea cuantica a atomilor cu atomi sau a fotonilor cu fotoni. Recent, o echipa de cercetatori de la Universitatea Michigan, condusa de catre Christopher Monroe, a reusit corelarea unui atom cu un foton. In laborator, cercetatorii au capturat ioni de cadmiu, dupa care au aranjat experimentul astfel incat ionii de cadmiu sa emita fotoni. Masuratori precise au indicat faptul ca fotonul si ionul de cadmiu erau corelati cuantic. "In sistemul realizat de noi, datorita controlului pe care il avem asupra atomilor individuali, am reusit sa corelam atomi cu fotoni", arata Monroe intr-o conferinta de presa. Acest pas este foarte important, deoarece particulele de cadmiu ar putea servi pentru stocarea de qubiti, iar fotonii corelati ar putea fi folositi pentru transportul informatiei in exterior.

Logica cuantica

Unitatea elementara folosita in informatica cuantica este qubit-ul (corespondentul

cuantic al bit-ului clasic. Un calculator cuantic poate fi considerat deci ca un sistem

multi-qubit. Din punct de vedere fizic, un qubit este un sistem fizic cu doua stari diferite

posibile, cum ar fi electronul cu cele doua stari de spin sus si jos, un foton cu cele doua

stari de polarizare orizontala si verticala, sau un atom cu doua stari energetice posibile.

Un bit clasic este un sistem care poate exista in doua stari distincte, care sunt

folosite pentru a reprezenta 0 si 1, adica un singur digit binar. Singurele operatii posibile

(porti) intr-un astfel de sistem sunt identitatea ( 0 1) si NOT( 0 0 ). In

contrast, un qubit este un sistem cuantic cu doua stari, descris de un spatiu Hilbert

complex, bi-dimensional,. In acest spatiu se poate alege o baza orto-normata formata din doua stari cuantice, notate prin 0 si 1 , care constituie corespondentul valorilor 0 si 1

ale bitului clasic.

Capcane ionice

Fig 1. Schema unui registru de qubiti (ioni) aflati intr-o capcana liniara

Un calculator cuantic care foloseste o capcana ionica consta in urmatoarele. Mai

multi ioni de un anumit tip sunt confinati (dispusi) liniar cu ajutorul unei combinatii de

campuri electrice constante si variabile in capcana ionica (Fig.1). Un qubit este un singur ion care prezinta doua stari cu timp de viata mare. O astfel de aranjare constituie un registru cuantic.

Scepticism si optimism Unii cercetatori sunt sceptici, in ciuda progreselor realizate pe drumul realizarii unui calculator cuantic operational, care sa poata fi utilizat pentru aplicatii practice, dincolo

de (deocamdata) micile succese ale prezentului. Raizen isi exprima transant opinia: "Prefer sa vorbesc despre controlul cuantic si inginerie cuantica, este mai cinstit asa!". Dar perspectivele pe care ni le ofera realizarea calculelor la nivel de atomi (despre ele s-a vorbit in articolul amintit mai sus) au facut ca DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) sa organizeze o conferinta la inceputul acestui an. La aceasta conferinta au participat cercetatori de la marile universitati americane, dar si cei de la AT&T, IBM, Hewlett-Packard, IBM, si Microsoft. Participantii au estimat ca vor trece 20 de ani pana la realizarea unui adevarat calculator cuantic, dar vor fi necesare eforturi sustinute pentru atingerea acestui obiectiv. Semnele interesului aratat de guvernul american pentru cercetarile din acest domeniu se vad cat se poate de clar: fondurile alocate au crescut de la 80 milioane dolari cheltuite anul trecut, la 90 de milioane dolari pentru acest an. DARPA a lansat si un program numit Focused Quantum Systems, prescurtat Foqus, al carui obiectiv este realizarea unui sistem capabil sa descompuna in factori primi un numar de 128 biti in numai 30 de secunde, cu o acuratete de 99,99%. Poate ca cifrele de mai inainte nu spun mare lucru nespecialistilor, de aceea vom aminti ca sistemele de codificare actuale sunt direct dependente de capacitatea de a descompune numere mari in factori primi. Calculatoarele prezentului sunt neputincioase in fata acestei operatii simple, datorita faptului ca timpul de calcul implicat tinde catre infinit. In schimb, calculatorul cuantic ar putea efectua foarte rapid o asemenea descompunere, ceea ce ar oferi un avantaj decisiv celui care l-ar realiza, practic nu ar mai exista in lume un cod care sa nu poata fi spart!

Nu putem stii cum va arata calculatorul de peste cateva decenii. Dar, daca privim catre trecut, putem avea o perspectiva optimista. Calculatorul cuantic va deveni o realitate si va trece repede din domeniul restrans al aplicatiilor legate de aparare, catre cele utile omului de pe strada. Un singur lucru nu stim acum, ce vor fi asemenea aplicatii