În câteva cuvinte
Articolul prezintă instalarea primului calculator cuantic spaniol la Centrul de Supercalcul din Barcelona. Această tehnologie revoluționară, construită cu fonduri europene, promite progrese semnificative în domenii precum designul de medicamente și inteligența artificială. Calculatorul folosește qubiți pentru calcule mult mai eficiente decât calculatoarele tradiționale și va fi accesibil cercetătorilor pentru diverse experimente.
Capela Centrului de Supercalcul al Barcelonei a primit un nou locatar.
Capela Centrului de Supercalcul al Barcelonei a primit un nou locatar. Această fostă biserică dezafectată, care din 2005 a găzduit supercalculatoarele MareNostrum 1, 2, 3 și 4, face acum un salt exponențial pentru a deveni casa primului calculator cuantic spaniol cu acces public, construit cu tehnologie 100% europeană.
Proiectul Quantum Spain, responsabil de materializarea inițiativei, are un buget de 22 de milioane de euro care alimentează construcția calculatorului, generarea ecosistemului care îl va face accesibil și cercetarea în algoritmia cuantică, o piesă cheie în dezvoltarea acestei tehnologii inovatoare. Obiectivul, continuând misiunea proiectelor MareNostrum, este de a pune la dispoziția cercetării spaniole un instrument care promite, într-un viitor nu prea îndepărtat, să revoluționeze modul în care înțelegem lumea, permițând extinderea posibilităților de explorare în domenii atât de diverse precum designul de medicamente, fizica materialelor, finanțe și inteligența artificială.
Dar ce poate oferi un calculator cuantic și care este diferența față de unul tradițional? „Nu este simplu de explicat într-o singură frază”, afirmă Alba Cervera, fizicianul responsabil de coordonarea proiectului, și argumentează: „Răspunsul rapid este că un calculator cuantic este un calculator care funcționează cu regulile mecanicii cuantice, dar apoi ar trebui să explicăm care sunt aceste reguli, și deja ne băgăm într-o încurcătură”.
Pentru a înțelege diferența dintre un calculator cuantic și unul tradițional, trebuie să înțelegem diferența dintre biți și qubiți. Un bit este unitatea de informație cu care este scris limbajul care guvernează calculatoarele pe care le cunoaștem și care, în cod binar, poate fi exprimat ca 0 sau 1. Un qubit are alt tip de proprietăți care au de-a face cu lumea cuantică, în care un lucru poate fi mai multe lucruri în același timp. Astfel, în loc de un 1 sau un 0, un qubit poate fi un 0, un 1 sau o combinație a ambelor: ceea ce se numește o superpoziție de stări. Dar, pe lângă aceasta, qubiții pot comunica între ei, astfel încât semnalul trimis la unul să-i afecteze pe ceilalți, apelând la o altă proprietate cuantică, care este încurcarea. „Acest lucru face ca funcționarea lor să fie total diferită de cea a biților tradiționali și determină ca algoritmii cu care sunt programați să fie, de asemenea, de o natură complet diferită”, explică Cervera.
Nu este, așadar, o chestiune de putere de calcul, ci de tipul de operație pe care sunt capabile să o efectueze. Compararea puterii de calcul a supercalculatorului MareNostrum 4 cu cea a MareNostrum 5 este foarte simplă: 13.900 de trilioane de operații pe secundă față de 314.000 de trilioane de operații pe secundă. Când intrăm în calculul cuantic, problema este mai complexă, deoarece este vorba de operații radical diferite. Este adevărat că qubiții, fiind capabili să exprime un 0, un 1 și toate valorile intermediare, multiplică exponențial capacitatea cipurilor tradiționale, dar nu este doar asta. Pe de o parte, există problema încurcării - modul în care qubiții se afectează reciproc - dar, mai presus de toate, există faptul că algoritmii care guvernează aceste calcule și aceste procese sunt de o natură complet diferită. Răspunzând la proprietățile cuantice, ele fac ca, în acele aplicații în care sunt adecvate, să economisim o mulțime de pași, realizând că o operație pe care un calculator normal ar fi durat ani să o rezolve, un calculator cuantic o poate rezolva în minute.
„Cel mai imediat exemplu este cel al criptografiei”, explică Cervera, „adică criptarea informațiilor. Una dintre cele mai utilizate forme de criptografie se bazează pe produsul a două numere prime. Înmulțirea a două numere prime este foarte simplă. Dar dacă ni se dă produsul acelei înmulțiri și trebuie să aflăm ce două numere prime înmulțite dau acel rezultat, operația poate fi cu adevărat complexă: o sarcină pe care un supercalculator obișnuit, și în funcție de cât de mare este numărul dat, poate dura mii de ani să o rezolve”. În 1994, matematicianul american Peter Shor a dezvoltat un algoritm care, folosind proprietățile cuantice, putea rezolva această problemă într-un mod mult mai eficient, astfel încât acele mii de ani să se transforme în minute. „Nu este o chestiune de viteză, deși rezultatul este acesta, ci de un tip de algoritm conceput special pentru a profita de proprietățile cuantice, astfel încât să poată rezolva problema folosind mult mai puține operații, ceea ce duce la un timp de rezolvare mult mai scurt și, de asemenea, la o economie considerabilă de energie”, clarifică Cervera.
Dificultatea constă în faptul că hardware-ul cuantic încă nu este capabil să suporte acest tip de operații. Fiind optimiști, de fapt, și chiar și pentru algoritmi care s-au dovedit teoretic funcționali - cum este cazul algoritmului lui Shor - lipsesc cel puțin 15 ani pentru ca tehnologia să le poată utiliza. Funcționarea unui calculator cuantic este încă foarte instabilă și se fac multe greșeli. Marea provocare constă în corectarea acestor erori pentru a obține procese fiabile.
S-a spus că un calculator cuantic va putea rezolva toate problemele umanității, deoarece este capabil să analizeze toate soluțiile în același timp, și nici asta nu este adevărat. Trebuie să ținem cont că a avea toate răspunsurile este același lucru cu a nu avea niciunul. „Ceea ce începe să conteze de acolo este capacitatea de a ști cum să formulezi întrebarea, astfel încât să obținem un răspuns util. Și asta, în limbaj informatic, se traduce prin proiectarea algoritmului corect”, explică Cervera.
Cheia este în ceea ce se numește „supremația cuantică”, adică, pentru ce tip de procese poate fi proiectat un algoritm în care tehnologia cuantică este mai eficientă decât cel mai puternic dintre calculatoarele tradiționale. Pentru a începe, toate cele în care se doresc simularea interacțiunilor care au loc în lumea cuantică, adică cele care implică fizica particulelor. „Dezvoltarea unui medicament, de exemplu, necesită experimentarea cu molecule care sunt compuse din atomi, care sunt compuse din particule care sunt guvernate de regulile mecanicii cuantice. Un calculator care funcționează cu această tehnologie va fi mult mai relevant pentru efectuarea acestui tip de simulări decât altul care trebuie să o imite”, explică Cervera. Același lucru este valabil și pentru fizica materialelor și pentru operațiile necesare pentru dezvoltarea inteligenței artificiale. Și se crede că poate fi, de asemenea, foarte util în optimizarea proceselor logistice, cum ar fi expedierea pachetelor Amazon sau unele probleme financiare, cum ar fi optimizarea portofoliilor de investiții, dar acest lucru încă se studiază.
Pentru a funcționa optim, un cip cuantic trebuie să fie în vid, astfel încât să rămână izolat de orice posibilă perturbare și la o temperatură apropiată de zero absolut, adică la -273 de grade Celsius. Cipul în sine, de fapt, nu ocupă mai mult de șase centimetri pătrați. Tot aparatajul pe care îl implică atunci când vedem imaginea unui calculator cuantic este destinat să producă acel vid și să aducă temperatura la aceste valori atât de scăzute.
Odată ce va intra în funcțiune, calculatorul cuantic va deveni o piesă în plus a MareNostrum 5 și va face parte din rețeaua spaniolă de supercalcul, al cărei membru și coordonator este Centrul de Supercalcul din Barcelona, astfel încât orice cercetător să poată accesa gratuit. Cei care au nevoie să efectueze experimente care implică sarcini care necesită această tehnologie vor putea prezenta un proiect pentru a o utiliza, care va fi evaluat și aprobat de o comisie de experți din același centru.
Ne aflăm, așadar, în fața celei mai moderne tehnologii din lume și, în același timp, suntem în preistoria a ceea ce poate oferi respectiva tehnologie. Când vedem noul cip de cinci qubiți care tocmai a fost instalat în capela Centrului de Supercalcul din Barcelona, de fapt asistăm la un moment care mâine va fi studiat ca analele calculului cuantic în Spania, la fel cum cardurile perforate din secolul trecut reprezintă originea calculului tradițional: un moment inițiatic pe care doar timpul îl va spune unde ne poate conduce.
