Com funciona la informàtica quàntica i per què és important

Els ordinadors han canviat radicalment la societat. Poc després de la fi de la Segona Guerra Mundial, els científics van usar ordinadors per resoldre tota mena de problemes. El progrés va ser increïblement ràpid. Als anys setanta, va néixer l’ordinador domèstic.

No obstant això, per a tot el progrés, alguns problemes segueixen sent realment difícils. No importa el bon ordinador que tingui, segueixen sent difícils els desafiaments com factoritzar grans quantitats o optimitzar les rutes de missatger.

Però els bits no són l’única manera de calcular. La mecànica quàntica (les regles que regeixen el món dels àtoms i les molècules) també es pot utilitzar per calcular. I aquests càlculs es realitzen d’una manera notablement diferent.

L’esperança és que algun dia aquests “ordinadors quàntics” siguin capaços de resoldre problemes durs. Però, què són realment els ordinadors quàntics i com funcionen?

Ordinador quàntic de 16 qubit d’IBM (experiència quàntica IBM)

Una mirada detallada sota la caputxa d’un ordinador quàntic revela per què els investigadors estan tan esperançats que aquests ordinadors seran tan potents, i no potents com una nova generació de processadors d’Intel. No, un ordinador quàntic pràctic té potencial per canviar el món. Empreses com D-Wave, IBM i Google, juntament amb laboratoris d’investigació arreu del món, estan fent carrera per produir els primers ordinadors quàntics pràctics.

Què diferencia un ordinador quàntic?

Per il·lustrar la diferència entre la computació quàntica i la tradicional, Daniel Lidar, professor de química teòrica física a la Universitat del sud de Califòrnia, utilitza la següent analogia (que he modificat).

Imagineu que busqueu una bola negra en una caixa plena de boles blanques i no la veieu dins de la caixa. Per trobar la bola negra, agafa cegament una bola, examina el color i la llença si no és negra. Podeu agafar la bola negra al primer intent, o potser trieu l'última.

El resultat més probable: destruiu el quadre amb frustració.

Passem ara a un algorisme quàntic. Les mans quàntiques arriben a la caixa, però no agafen cap bola. En canvi, aquestes mans mantenen les probabilitats d’haver agafat cada bola, inclosa la bola negra. Si la caixa té 10 boles, les mans quàntiques tenen 10 probabilitats iguals.

A continuació, teniu un algorisme quàntic que augmenta la probabilitat que la bola sigui negra. Després, comproveu la mà: Decepcionadament, la bola és blanca. Torneu a entrar a la caixa. Però aquesta vegada les probabilitats no són iguals: ara la probabilitat que trobeu la bola negra sigui superior a la de les altres boles.

És com si l’intent anterior llençava una bola blanca extra juntament amb la que vau trobar. Això passa per a tots els intents, de manera que augmenta ràpidament la possibilitat de trobar la bola negra. La clau de com canvien aquestes probabilitats està en la manera de manipular els estats quàntics (o “qubits”) en el cas de la informàtica.

Estats de superposició quàntica

Anem a desglossar aquesta història de caixa de pilotes per veure com funciona tot.

La mà quàntica arriba a la caixa i agafa les probabilitats. En informàtica tradicional, la informació s’emmagatzema com a bits que tenen valors definits. Una mica és un o un zero. Comprovar el valor d'un bit no el modifica de cap manera.

Però un qubit no representa directament el valor del bit; manté la probabilitat que el qubit sigui un o un zero. A això s’anomena “estat de superposició quàntica”.

Tanmateix, quan comprovem el valor del qubit, no obtenim la probabilitat. La mesura revela un o un zero: l’elecció es determina aleatòriament a partir de les probabilitats de la superposició. La mesura estableix el valor del qubit. Si mesurem el qubit i n’obtenim un, la comprovació també es traduirà en un mateix.

Quan arribem a la caixa, realment estem agafant un conjunt de codis, suficient per representar totes les boles. Els qubits es posen en un estat de superposició que manté les probabilitats de trobar cada bola. Com que la cerca és completament aleatòria, cada bola es representa amb igual probabilitat.

Ara executem un algorisme que augmenta la probabilitat de trobar la bola negra.

Podeu preguntar-vos: Com podeu augmentar la probabilitat sense colar un pic? La resposta rau en com un qubit té probabilitats. Una probabilitat és representada per un nombre entre zero i un. Però els qubits mantenen amplituds de probabilitat, que poden ser positius o negatius.

Com diu Lidar: “[T] és allà on hi ha una diferència real. No hi ha cap idea de probabilitat negativa [en física clàssica], que no té sentit ... Però, en el cas quàntic, podem tenir una amplitud [probabilitat] negativa cancel·lant les amplituds positives [de probabilitat]. És a través de les manipulacions d’aquestes interferències que podem començar a comprendre com la computació quàntica pot obtenir un avantatge ”.

En aquesta cita s'oculten dos punts clau. Quan una amplitud negativa compleix una amplitud positiva, el resultat net és alguna cosa més propera a zero, de manera que la probabilitat d'aquest resultat en particular baixa; si es troben dues amplituds positives, la possibilitat d'aquest resultat augmenta. És a dir, podem manipular la probabilitat d’un resultat concret sense mesurar el qubit. (Recordeu que fer una mesura destruirà l'estat de superposició.)

Més important, es poden fer pessebres per fer-ho ells mateixos. Quan parlem d’una amplitud positiva que troba una amplitud negativa, aquestes amplituds poden ser del mateix qubit. I si això no fa que la teva ment es doblegui i es desviri una mica, no ho farà res.

Com a resultat, un ordinador quàntic pot reduir ràpidament la probabilitat d'obtenir una resposta incorrecta i augmentar les probabilitats d'obtenir la resposta correcta. Aquest és exactament el tipus de truc que utilitza un ordinador quàntic per augmentar la probabilitat de trobar la bola adequada.

Un procés propens a errors

Per realitzar un càlcul, es modifica l'estat de superposició de molts qubits. Però entre modificacions deliberades, l’entorn també canvia l’estat de superposició. Aquest soroll és l’enemic de la informàtica quàntica, destruint estats de superposició gairebé tan ràpidament com podem crear-los.

El resultat és que els codis no són fiables i són propensos a errors. I aquests errors han de ser descoberts i corregits.

Això no és trivial. Com diu Lidar: “[...] caldrà utilitzar un alt grau de redundància per tal de garantir que el càlcul quàntic es pugui realitzar correctament. Aleshores, què és això de les despeses a causa de la codificació? Doncs pot ser molt greu, pot ser que sigui per factors de 1.000 o 1.000.000. "

Dit d’una altra manera, cada bit d’informació es codifica en un petit exèrcit de qubits en lloc d’un sol qubit.

Com crear un ordinador quàntic

Hi ha diversos enfocaments bàsics per construir un ordinador quàntic. L'enfocament més comú és com si construïm ordinadors ara, anomenat model de circuit de computació quàntica.

Cada programa es divideix en una sèrie d’operacions lògiques específiques, la majoria de les quals modifiquen les amplituds de probabilitat d’un qubit, depenent de les amplituds de probabilitat d’un segon qubit. Un ordinador quàntic basat en un circuit pren un conjunt inicial de qubits i realitza cada operació del programa de forma seqüencial. Després d'executar el programa, es llegeixen els estats de qubit per obtenir una resposta.

IBM crea ordinadors quàntics d’aquest tipus i fins i tot podeu jugar amb ells. Però de cap manera és segur que el model d’IBM o qualsevol altre circuit de circuit esdevingui estàndard. No és una tasca fàcil escalar el nombre de qubit i la vida fins a una mida útil.

Altres empreses, com D-Wave i Google, també s'estan interessant. Però el seu plantejament és força diferent al d’IBM i a la majoria de laboratoris de recerca. L’enfocament més comú per construir un ordinador quàntic és mantenir-se a prop d’idees d’ordinadors normals: portes lògiques que realitzen operacions seqüencials. Però també és possible fer ordinadors que funcionin sense operacions lògiques directes.

Optimitzador quàntic de D-Wave (D-Wave Inc.)

La diferència entre els dos enfocaments és força profunda. En un equip que utilitza lògica seqüencial, la disposició física de l’ordinador és raonablement senzilla, però la seqüència d’operacions (o programa) pot arribar a ser llarga i complicada. Abandonant la lògica seqüencial, el programa es torna molt senzill, de fet, gairebé no hi ha programació, però la disposició física es fa molt difícil, ja que cada qubit ha d'estar connectat a tots els altres qubits.

La start-up canadiana D-Wave ofereix des de fa temps una forma limitada d’informàtica quàntica, però de moment, els seus processadors són massa petits per assumir problemes pràctics. La disposició del processador D-Wave no connecta tots els qubits entre ells. Com a resultat, només es pot utilitzar per resoldre alguns tipus de problemes, però no d'altres.

Per complicar els problemes, no és possible saber del rendiment de l'ordinador que es tracta d'un ordinador quàntic. Podria ser en canvi un ordinador tradicional molt eficient. Google i Lidar (que no funciona per a Google) utilitzen un enfocament similar al de D-Wave; tanmateix, la diferència és que tenen l'objectiu de controlar la influència dels mossos. A partir d’això, esperen demostrar que aquest enfocament condueix a un ordinador quàntic.

Un problema buscant una solució quàntica

La majoria de la gent, si té coneixement dels ordinadors quàntics, els associa amb un xifratge trencador. La criptografia actual es basa en el fet que és molt difícil trobar factors principals de nombres molt grans.

Un ordinador quàntic pràctic posarà punt final a això. Però hi ha aplicacions menys sinistres.

El més emocionant en desenvolupament és utilitzar ordinadors quàntics per resoldre problemes de mecànica quàntica. Aquesta és l’aplicació que probablement canviarà el món.

La mecànica quàntica descriu les propietats dels materials, des del cotó de la roba fins a la fotosíntesi en plantes. Fins i tot amb els ordinadors tradicionals més potents, és pràcticament impossible calcular les propietats de qualsevol molècula que conté més de prop de 30 àtoms. En canvi, agafem dreceres, que no sempre funcionen gaire bé.

Un ordinador quàntic pot ser molt més exacte, de manera que podem tenir molta més confiança en aquest càlcul. Els científics poden imaginar-se propietats molt més extravagants, com materials que es refreden quan s’exposen a la llum del sol, i després utilitzar un ordinador quàntic per determinar l’estructura requerida. I les propietats extravagants que són realment impossibles es poden eliminar més ràpidament.

Què tan a prop estem?

Els ordinadors quàntics van arribar en teoria amb les primeres demostracions a la dècada de 1990. Tot i així, els vostres secrets són segurs i no trobareu un ordinador quàntic que faci coses nefastes al vostre compte bancari. Investigadors com Lidar encara no esperen un ordinador quàntic pràctic.

Lidar diu que amb 100 qubits en un món on no cal la correcció quàntica d’errors, “Seríem capaços de començar a simular sistemes quàntics mitjançant ordinadors quàntics en una escala que superi el que és possible amb els ordinadors clàssics més potents”.

Però els investigadors tenen un objectiu anomenat, de forma alarmant, supremacia quàntica. Malgrat el seu nom grandiós, la supremacia quàntica només està demostrant que qualsevol problema més enllà de les capacitats d’un ordinador tradicional, fins i tot un sense valor pràctic, es pot solucionar en un ordinador quàntic.

És un pas important demostrar que els ordinadors quàntics poden funcionar tal i com s'havia previst, i que ningú no està absolutament segur de la seguretat es produirà. Però només aleshores podem confiar en que els futurs ordinadors quàntics puguin complir les seves promeses.

Lidar espera veure un ordinador que ha de ser capaç d’aconseguir la supremacia quàntica en els pròxims 12 mesos. Google, en particular, sembla que pretén assolir la supremacia quàntica el més ràpidament possible, mentre que IBM adopta un enfocament més prudent.

Després d’això, ens espera un futur enfosquit però emocionant.