Cum funcționează un computer cuantic și ce sunt qubiții?


Un calculator cuantic se folosește de mecanica cuantică pentru a rezolva probleme specifice, cum ar fi decriptarea unor chei de criptare folosite în comunicarea securizată (SSL) pe internet prin protocolul HTTPS.

Decriptarea cheilor folosite în comunicarea sigură este foarte dificilă, durând de la zile pentru chei de 128 de biți, până la 3 luni pentru chei de 768 biți (pdf– vezi la Concluzii), folosindu-se circa 100 000 de computere în tandem, sau până la 4,294,967,296 x 1.5 milioane de ani pentru chei de 2048 de biți.

Computerele cuantice se pot folosi de un algoritm special numit Shor, prin care pot reduce timpii de decriptare de la luni sau ani la numai câteva secunde sau minute. Secretul nu constă în rapiditatea cu care se fac operațiunile în sine, ci în faptul că acele computere cuantice au nevoie de mult mai puțini pași decât computerele clasice pentru a face un calcul.

La operațiuni simple, pe cum este vizionarea unui film sau ascultarea unei melodii, un calculator cuantic ar fi al fel de rapid ca cel de azi, însă succesul este văzut în aplicații specifice, tocmai de aceea computerele cuantice nu sunt văzute ca rivalul celor clasice, ci doar ca mașini complementare.

Computerele cuantice se folosesc de faptul că qubiții pot avea starea 0 și starea 1 în același timp (adică o superpoziție), pe când un bit clasic poate avea fie valoarea 0, fie valoarea 1. Dat fiind că superpozițiile nu pot fi măsurate, trebuie creat un sir de operații logice care să ducă la un rezultat măsurabil.

Superpozițiile se datorează fenomenului numit quantum entanglement, fenomen prin care se creează o legătură între mai multe particule prin punerea lor în contact. Odată ce acea legătură a fost creată, schimbarea stării uneia dintre particule va duce la schimbarea stării celeilalte particule, chiar dacă a doua particulă a fost mutată la o distanță infinită. Schimbarea va fi instantanee indiferent de distanța la care este a doua particulă. Mecanica cuantică e ciudată rău.

Dacă vrem să aflăm care dintre numerele 00, 01, 10, 11 este în calculator, atunci un calculator clasic folosește doi biți pentru a oferi rezultatul. Cei doi biți oferă două numere, 0 și 1, dar doi qubiți vor conține 4 numere. Cantitatea de informație conținută n qubiți va fi egală cu 2^n biți.

Veritasium explică, în cuvinte simple, cum se pot manipula electronii sau nucleele atomilor pentru a le folosi pe post de qubiți. Qubiții sunt unitățile de bază de memorare a informației într-un computer cuantic. În genere, se vor folosi electroni sau nuclee de atomi pe post de qubiți. În unul dintre experimentele recente făcute în Australia in interiorul unui tranzistor clasic se inserează un atom de fosfor, iar electronul de pe stratul superior a fost folosit pe post de qubit.

Una dintre proprietățile electronilor sau nucleelor de atomi este spinul magnetic, o proprietate intrinsecă a acestora, foarte asemănătoare cu sarcina electrică a unui electron, de exemplu. Ei bine, acel spin magnetic are două stări, “up” și “down”, care pot fi manipulate prin folosirea radiației.

Este vorba de aplicarea unor radiații pe frecvențe precise pentru a schimba spinul electronului sau a nucleului. Odată schimbat, acel spin rămâne în aceeași poziție foarte mult timp (se presupune că rămâne astfel un număr infinit de ani, deci poate fi folosit pe post de dispozitiv de memorare).

Se folosesc instalații care aduc temperatura atomilor foarte aproape de zero absolut, după care electronul este plasat într-un câmp magnetic foarte puternic iar apoi se folosesc de microunde la frecvența de 45.02 GHz pentru a schimba spinul acestuia. Spinul unui nucleu poate fi schimbat cu ajutorul unor microunde la 44.9 GHz.

Nu, nu sunt la fel ca microundele din casa noastră, care funcționează la 2.5 GHz, așa că nu vom fi niște qubiți mergători, în caz că ne încălzim mâncarea la microunde.

Trebuie ținut cont de faptul că frecvența microundelor necesară pentru a schimba spinul unui electron depinde de câmpul magnetic în care este acel electron. Urmărește filmul de mai jos pentru explicații:

Mai multe detalii despre computere cuantice se pot citi din sursele de mai jos:
generalități despre computerele cuantice
bazele matematice ale calculelor cuantice
calcule cuantice cu computere cuantice

Pe viitor vom avea computere de mii de ori mai puternice ca supercomputerele de azi și, datorită fenomenului de quantum entanglement, vom putea vorbi pe Marte sau Jupiter instantaneu. Cum ți se pare știința și tehnologia acum? 😀

Mai mult, iată cum arată fundamentul matematic al calculatoarelor cuantice. Vei înțelege de ce, la anumite operațiuni specifice, un calculator cuantic rezolvă într-un minut probleme pe care calculatoarele obișnuite le rezolvă în mii sau milioane de ani:

4 Responses to “Cum funcționează un computer cuantic și ce sunt qubiții?”