Capela Barcelona Supercomputing Center găzduiește noul calculator cuantic spaniol

Capela Barcelona Supercomputing Center are un nou locatar. Această fostă biserică desacralizată, care din 2005 a găzduit supercomputerele MareNostrum 1, 2, 3 și 4, face astăzi un salt exponențial pentru a deveni casa primului calculator cuantic spaniol de acces public construit cu tehnologie 100% europeană. Proiectul Quantum Spain, însărcinat cu 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 algoritmica cuantică, o piesă cheie în dezvoltarea acestei tehnologii noi.

Obiectivul, continuând cu misiunea proiectelor MareNostrum, este de a pune la dispoziția cercetării spaniole un instrument care promite, într-un viitor nu foarte îndepărtat, să revoluționeze modul în care înțelegem lumea, permițând extinderea posibilităților de explorare în domenii atât de diverse precum designul de medicamente, fizica materialelor, finanțele și inteligența artificială.

Diferența dintre un calculator cuantic și unul tradițional

Dar ce poate oferi un calculator cuantic și care este diferența față de unul tradițional? “Nu este ușor să explici într-o singură frază”, afirmă Alba Cervera, fizicianul însărcinat cu 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 acolo 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 se scrie limbajul care guvernează computerele pe care le cunoaștem și care, în cod binar, poate fi exprimat ca un 0 sau ca un 1. Un qubit are un alt tip de proprietăți care au legătură 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 un amestec al ambelor: ceea ce se numește o superpoziție de stări.
• Dar, pe lângă aceasta, qubiții pot comunica între ei astfel încât semnalul trimis unuia să-i afecteze pe ceilalți, apelând la o altă proprietate cuantică, care este întrepătrunderea.

“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.

Puterea de calcul a calculatorului cuantic

Nu este, așadar, o chestiune de putere de calcul, ci de tipul de operație pe care sunt capabili să o efectueze. Compararea puterii de calcul a supercomputerului MareNostrum 4 cu cea a MareNostrum 5 este foarte simplă: 13.900 de miliarde de operații pe secundă față de 314.000 de miliarde de operații pe secundă. Când intrăm în calcul cuantic, problema este mai complexă, deoarece este vorba despre 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, este problema întrepătrunderii – modul în care qubiții se afectează unii pe alții – dar, mai ales, este faptul că algoritmii care guvernează aceste calcule și procese sunt de o natură complet diferită. Răspunzând proprietăților cuantice, ei fac ca, în acele aplicații în care sunt adecvați, să economisim o mulțime de pași, făcând ca o operație pe care un computer normal ar fi avut nevoie de ani pentru a o rezolva, un computer cuantic să o poată rezolva în câteva minute.

Exemple de aplicații ale calculatorului cuantic

“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. Multiplicarea a două numere prime este foarte simplă. Dar dacă ni se dă produsul acelei multiplicări și trebuie să aflăm ce două numere prime înmulțite dau acel rezultat, operația poate fi cu adevărat complexă: o sarcină pe care un supercomputer obișnuit, și în funcție de cât de mare este numărul dat, ar putea dura mii de ani pentru a o rezolva”. În 1994, matematicianul american Peter Shor a dezvoltat un algoritm care, folosind proprietățile cuantice, ar putea rezolva această problemă într-un mod mult mai eficient, astfel încât acei mii de ani să devină 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 se traduce într-un timp de rezolvare mult mai mic și, de asemenea, într-o economie considerabilă de energie”, clarifică Cervera.

Dificultatea constă în faptul că hardware-ul cuantic nu este încă capabil să suporte acest tip de operații. Fiind optimiști, de fapt, și chiar și pentru algoritmi care teoretic s-au dovedit funcționali – cum este cazul algoritmului lui Shor – mai sunt cel puțin 15 ani până când tehnologia îi poate folosi. Funcționarea unui calculator cuantic este încă foarte instabilă și se fac multe erori. Marea provocare constă în corectarea acestor erori pentru a obține procese fiabile.

Limitările calculatorului cuantic

S-a spus că un calculator cuantic va putea rezolva toate problemele omenirii deoarece este capabil să analizeze toate soluțiile în același timp, și nici acest lucru nu este adevărat. Trebuie să luăm în considerare faptul că a avea toate răspunsurile este același lucru cu a nu avea niciunul. “Ceea ce începe să conteze de acolo este capacitatea de a știi să formulezi întrebarea astfel încât să obținem un răspuns valorificabil. Și asta, în limbaj informatic, se traduce în designul algoritmului corect”, explică Cervera.

Cheia constă în ceea ce se numește “supremația cuantică”, adică pentru ce tip de procese se poate proiecta un algoritm în care tehnologia cuantică să fie mai eficientă decât cel mai puternic dintre computerele tradiționale. Pentru început, 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 compuși din particule care sunt guvernate de regulile mecanicii cuantice. Un calculator care funcționează cu această tehnologie va fi mult mai relevant pentru a efectua acest tip de simulări decât altul care trebuie să o imite”, explică Cervera. Același lucru se întâmplă cu fizica materialelor și cu operațiunile necesare pentru dezvoltarea inteligenței artificiale. Și se crede că poate fi foarte util și în optimizarea proceselor logistice, cum ar fi trimiterea de pachete Amazon sau unele probleme financiare, cum ar fi optimizarea portofoliilor de investiții, dar acest lucru este încă studiat.

Funcționarea și accesibilitatea calculatorului cuantic

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 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 acele valori atât de scăzute.

Odată ce va intra în funcțiune, calculatorul cuantic va deveni o piesă suplimentară a MareNostrum 5 și va face parte din rețeaua spaniolă de supercalcul, din care Barcelona Supercomputing Center este membru și coordonator, astfel încât orice cercetător să poată accesa gratuit. Oricine are nevoie să efectueze experimente care implică sarcini care necesită această tehnologie poate prezenta un proiect pentru a o folosi, care va fi evaluat și aprobat de o comisie de experți din același centru.

Concluzii

Ne aflăm, așadar, în fața celei mai moderne tehnologii din lume și, în același timp, ne aflăm în preistoria a ceea ce această tehnologie poate oferi. Când vedem noul cip de cinci qubiți care tocmai a fost instalat în capela Barcelona Supercomputing Center, asistăm de fapt la un moment care va fi studiat mâine ca analele calculului cuantic în Spania, în același mod în care cardurile perforate din secolul trecut reprezintă originea calculului tradițional: un moment inițiatic care doar timpul va spune unde ne poate conduce.