Despre realizarea si potentialul unui qubit (II)

Aceasta este partea a doua din seria “Computere cuantice si qubiti”, pe care am inceput-o cu “O scurta istorie a calculului cuantic”. In articolul de fata mi-am propus sa trec in revista potentialul unui qubit, eventualele aplicatii si, nu in ultimul rand, metodele de realizare.

Dupa cum am spus si in articolul precedent, un computer cuantic poate fi orice dispozitiv pentru calcul care foloseste in mod direct fenomenele cuantice, insa ce inseamna asta concret? Pentru a oferi o imagine mai clara asupra fenomenului cuantic si a avantajelor fata de tehnologia curenta, o sa incerc sa discut toate aspectele importante in comparatie cu un computer clasic, respectiv cu un bit.

Baza calculului cuantic

Un calculator clasic are o memorie formata din biti, unde fiecare bit are valoarea ori 1 ori 0. Un computer cuantic foloseste o secventa de qubiti, unde qubitul are cateva similaritati cu bitul clasic, dar e in general diferit. Ca si bit-ul, un qubit poate mentine valoarea 1 sau 0 insa,spre deosebire de bit-ul clasic, care nu poate sa aiba decat valoarea 0 sau 1, qubitul poate fi o superpozitie cuantica a celor doua, insemnand ca poate fi 0,1 sau o superpozitie a lui 0 sau 1; cu alte cuvinte poate fi atat 0 cat si 1 in acelasi timp, permitand un numar infinit de stari.
Aceasta superpozitie a qubitilor este ceea ce da computerelor cuantice paralelismul. Dupa spusele fizicianului David Deutsch, acest paralelism permite unui computer cuantic sa lucreze la un milion de operatii in acelasi timp, pe cand un computer clasic nu poate lucra decat la o singura operatie. Un computer cuantic de 30 de qubiti ar egala puterea de procesare a unui computer conventuional care ruleaza la 10 teraflops (mii de miliarde de operatii cu virgula mobila pe secunda). Astazi un computer normal ruleaza la viteze masurate in gigaflops (miliarde de operatii cu virgula mobila pe secunda).

Computerele cuantice de asemenea folosesc un alt aspect al mecanicii cuantice, cunoscut ca entanglement sau inseparabilitate cuantica. O problema cu ideea de computer cuantic ar fi faptul ca daca incerci sa observi particula subatomice, ai putea interactiona cu ele, si e posibil sa le schimbi valoarea. Daca te uiti la un qubit in superpozitie pentru a-i determina valoarea, qubitul va lua ori valoarea 0 oai 1, dar nu amandoua – efectiv schimband computerul cuantic intr-unul clasic. Pentru a face ideea de computer cuantic practica, oamenii de stiinta trebuie sa gaseasca o cale de a face masuratori indirecte pentru a conserva integritatea sistemului. Inseparabilitatea cuantica poate fi o asemenea solutie. In fizica cuantica, daca se aplica o forta exterioara catre doi atomi, rezultatul poate fi ca cei doi atomi sa fie entangled, si al doilea atom poate primii propietatile primului atom. Deci, daca un atom este lasat liber, el se va roti in toate directiile. Imediat ce se intervine el va lua o singura valoare, un singur spin; in acelasi timp al doilea atom va lua o valoare de spin opus. Acest proces permite oamenilor de stiinta sa afle valoarea qubitilor fara sa le schimbe valoarea.

Biti versus Qubiti

Sa consideram intai un computer clasic care opereaza un registru de 3 biti. La orice moment dat de timp. bitii din registru sunt intr-o stare bine definita, cum ar fi 101. Intr-un computer cuantic, insa, qubitii pot fi intr-o superpozitie a tuturor starilor clasice permise, si sunt relizati din particule controlate si din mijloacele de control (e.g. dispozitive care actioneaza drept capcane pentru particule si pot sa le transforme dintr-o stare in alta).

Pentru inregistrarea starii unui registru cuantic e nevoie de un numar exponential de numere complexe (registrul de 3 qubiti are nevoie de 23=8 numere complexe). Numarul de biti clasici necesari numai sa estimeze numerele complexe ale unei stari cuantice creste exponential cu numarul de qubiti. Pentru un registru de 300 de qubiti e nevoie de aproximativ 1090 registrii clasici – mai mult decat numarul atomilor din universul observabil (necesara referinta).

Cum creem un qubit?

Un exemplu a unei implementari a unor qubiti pentru un computer cuantic poate incepe prin folosirea unor particule cu doua stari de spin: “up” sau “down” (tipic descrise ca |0> si |1>). De fapt orice sistem care poseda o canitate observabila A, conservabila in timp, si in asa fel incat A are cel putin doua stari discrete si stari propri consecutive suficient de indepartate, este un candidat viabil pentru implementarea unui qubit.

Intr-un computer clasic informatia este codata intrf-o serie de biti, iar acesti biti sunt manipulati cu ajutorul unot porti logice de tip Boolean, aranjate succesiv pentru a produce un rezultat la sfarsit. Similar, un computer cuantic manipuleaza qubitii prin executarea unei serii de porti cuantice, fiecare fiint o transformare unitara asupra unui singur qubit sau unei perechi de qubiti. Prin aplicarea acestor porti succesiv, un computer cuantiv poate face o transformare unitara foarte complicata asupra unui set de qubiti aflati intr-o stare initiala arbitrara. Ulterior qubitii pot fi masurati, aceasta masuratoare servind ca rezultat final al calculului.

In articolul urmator voi discuta mai pe larg despre obstacolele intalnite, cercetare si voi incerca sa arunc o privire catre viitorul acestei tehnologii