Un calculator cuantic sau computer cuantic, folosește proprietățile cuantice ale materiei, cum ar fi suprapunerea și inseparabilitatea, pentru a efectua operațiuni pe date.
Spre deosebire de calculatoarele clasice care efectuează operații logice folosind biți (șiruri binare, de 0 și 1) și tranzistori, calculatoarele cuantice operează prin controlul comportamentului particulelor de qubiți, sau biți cuantici, care pot avea simultan mai multe poziții (1 și 0 în același timp), ceea ce înseamnă că pot procesa un număr enorm de rezultate potențiale simultan. Computerele cuantice sunt cotate cu un rating în ceea ce privește volumul cuantic, care ia în calcul numărul total de qubiți. Deși există deja prototipuri de calculatoare cuantice, ele nu pot efectua în prezent decât sarcini similare cu cele realizate de un computer normal, dar mult mai rapid.
Un calcul cuantic constă în următoarele: inițializarea sistemului cuantic, aplicarea unei secvențe de operații care modifică starea sistemului și efectuarea operației de măsurare. Cu excepția operației de măsurare, toate operațiile care se efectuează asupra unui sistem cuantic trebuie să fie reversibile. Aceste operații sunt descrise prin operatori unitari. Scopul calculului cuantic este găsirea unor algoritmi considerabil mai rapizi decât algoritmii clasici care rezolvă aceeaşi problemă și a unor algoritmi care rezolvă probleme de calcul imposibil de rezolvat în calculul clasic.
Computaţia cuantică operează cu un alt tip de logică – folosindu-se de legile mecanicii cuantice pentru efectuarea de diverse operaţii. Qubiţii sunt diferiţi de biţii clasici întrucât sunt caracterizaţi de mai mult de două stări posibile. Pot avea stări multiple, superpoziţii de stări – de pildă pot lua valoarea 0 sau 1, sau 0-1 ori 0+1 ori 0 AND 1, toate în acelaşi timp. Aceasta este o proprietate a fizicii cuantice numită „suprapunere”.
Corelativitatea cuantică sau „inseparabilitatea cuantică” (engleză: quantum entanglement) este o proprietate a sistemelor cuantice care descrie legături subtile, complet contraintuitive şi foarte strânse care se manifestă între acestea și reprezintă cheia acestor posibilităţi computaţionale. În contextul corelativităţii cuantice se poate vorbi de o procesare paralelă – prelucrarea în paralel a multor informaţii, nerealizabilă în cazul procesoarelor clasice şi sistemelor de operare moderne.
Primul computer cuantic ce funcţiona în afara unui laborator, IBM Q System One, a fost prezentat în 2019 la Consumer Electronics Show (CES) în Las Vegas.
Algoritmii cuantici sunt în general folosiți pentru a studia proprietăți globale ale unei funcții sau ale unei secvențe de date (de exemplu, pentru a găsi perioada unei funcții, media unei secvențe, etc.).
Una dintre cele mai importante probleme în calculul cuantic este găsirea algoritmilor cuantici. Foarte puțini dintre ei sunt cunoscuți, deoarece nu există principii generale de găsire a versiunii cuantice a unui algoritm clasic. Există urmatoarele tipuri posibile de algoritmi cuantici:
Registrul cuantic funcționează aproape la fel ca cel clasic. Acesta este un șir de biți cuantici, peste care se pot efectua operațiuni logice cu un bit și doi biți (similar cu utilizarea NOT, 2AND-NOT, etc., într-un registru clasic).
Calculatoarele cuantice sunt susceptibile unor erori cauzate de ”zgomot” și de pierderea coerenței cuantice – pierderea proprietăților cuantice a qubitului și reducerea sa la un simplu bit.
”Incoerența cuantică” poate fi cauzată de diferite interacțiuni cu mediul exterior (cum ar fi variații electromagnetice sau de temperatură). Tocmai din acest motiv, actualele sisteme cuantice au o probabilitate mică să livreze rezultate corecte, chiar și pentru operații mai simple, conform aceleeași publicații online.
Erorile pot fi corectate prin intermediul schemelor de corecție cuantică – un proces care consumă o parte din qubiți. Numărul acestora determină capacitatea sistemelor cuantice de a realiza operații din ce în ce mai complexe, iar utilizarea schemelor de corecție ridică problema achiziționării unor sisteme care nu funcționează în conformitate cu specificațiile inițiale.
Primul algoritm cuantic de corectare a erorilor a fost algoritmul Shor, apărut în 1995, și propus de Peter Shor.
Din categoria limbajelor de programare cuantică se pot menţiona:
În luna septembrie IBM a anunțat că va lansa în curând cel de-al paisprezecelea computer cuantic de 53 qubit, cel mai mare și mai puternic din punct de vedere comercial până în prezent, iar Google a anunţat că a atins supremaţia cuantică cu ajutorul unui super-calculator, cu capacităţi mult superioare celor ale celor mai puternice computere convenţionale. Cercetătorii afirmă că procesorul lor este capabil să efectueze în trei minute şi douăzeci de secunde o operaţie pentru care ar fi nevoie de 10.000 de ani în cazul celor mai avansate calculatoare din prezent.
Fujitsu a lansat un cip cu capacităţi inspirate de calculatorul cuantic, numit Digital Annealer. Arhitectura de calcul digital Annealer deschide calea către rezolvarea mult mai rapidă și mai eficientă a problemelor de optimizare la scară largă, care sunt de nerezolvat folosind calculatoarele clasice de astăzi.
Compania franceză Atos, furnizează QLM-E, un nou simulator cuantic de 12 ori mai puternic decât modelul său anterior.
Calculatoarele cuantice ar putea contribui la soluționarea unor calcule complexe, în multiple domenii datorită fenomenului de superpoziție.
Calculatoarele cuantice sunt folosite în dezvoltarea unor versiuni mult mai sigure de criptare a informației. Qubiții, datorită faptului că se supun legilor mecanicii cuantice, pot oferi o bază securizată pentru schimbul de mesaje secrete. Criptarea cuantică ar putea pune hackerii în imposibilitatea de a descoperi cheile de acces ale sistemelor vulnerabile, datorită stării nedeterminate în care se găsește informația necesară decriptării.
Există în prezent protocoale cuantice de generare a cheilor, care funcționează continuu cu scopul protejării traficului pe internet. Astfel de sisteme, care funcționează în S.U.A. și Elveția la scară redusă, folosesc modularea în fază a fotonilor pentru codare și conțin fotodetectori răciți, cu avalanșă, care detectează câte un singur foton.
O altă aplicație a acestor sisteme ar fi în medicină, în domeniul modelării moleculare. Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale calculatoarelor cuantice este simularea comportamentului materiei până la nivelul molecular. Companiile farmaceutice folosesc simulările cuantice pentru a analiza și compara compușii care ar putea duce la crearea de noi medicamente și de modele proteice sau pentru a îmbunătăți viteza și calitatea imaginilor medicale
Inteligența artificială poate beneficia masiv de pe urma utilizării calculatoarelor cuantice. Cele mai inteligente sisteme de învățare automată funcționează pe baza unui proces de ”trial and error” (identificarea anomaliilor statistice). Sistemele de ‘’deep’’ și ‘’machine learning’’ vor ajunge mult mai puternice și mai rapide, dacă pot profita de pe urma fenomenului de superpoziție.
Producătorii auto precum Volkswagen și Daimler folosesc calculatoare cuantice pentru a simula compoziția chimică a bateriilor vehiculelor electrice pentru a ajuta la găsirea de noi modalități de îmbunătățire a performanței lor. Volkswagen a prezentat un serviciu care calculează rutele optime pentru autobuze și taxiuri în orașe pentru a reduce la minimum congestia traficului.
Airbus folosește computere cuantice pentru a ajuta la calcularea celor mai eficiente căi de urcare și coborâre pentru aeronave, optimizarea rutelor și imagistică prin satelit.
În sistemul financiar şi bancar calculatoarele cuantice sunt prevăzute pentru a studia stocurile piețelor financiare și a construi noi modele de prognoză. Aceste noi instrumente ar face posibilă evaluarea distribuției rezultatelor, identificarea volatilității pieței și să controleze riscurile și randamentele într-un portofoliu de investiții.
Marile companii care oferă servicii de căutare pe Internet – Google, Yahoo, Microsoft, ar putea beneficia enorm de pe urma unor algoritmi cuantici care să indexeze şi să efectueze căutări în baze de date imense mult mai rapid. De asemenea, pentru detectarea virușilor și a hackingului în rețele.
Computerele cuantice ar putea contribui la construirea unor modele climatice mai bune. National Weather Service din Marea Britanie a început deja să investească în aceste noi tehnologii.
This article uses material from the Wikipedia Română article Calculator cuantic, which is released under the Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 license ("CC BY-SA 3.0"); additional terms may apply (view authors). Conținutul este disponibil sub CC BY-SA 4.0, exceptând cazurile în care se specifică altfel. Images, videos and audio are available under their respective licenses.
®Wikipedia is a registered trademark of the Wiki Foundation, Inc. Wiki Română (DUHOCTRUNGQUOC.VN) is an independent company and has no affiliation with Wiki Foundation.