Què pot aportar la física quàntica a la computació?

Autors: 

plotplot/Shutterstock.com

Us imagineu un ordinador fent càlculs extraordinàriament complexos, d’aquells que només de pensar-hi ja fan vertigen, mentre preneu tranquil·lament una tassa de cafè? Doncs potser no cal imaginar-ho gaire.

Un grup de centres de recerca xinesos, liderats per Jian-Wei Pan i Chao-Yang Lu, ha creat un sistema quàntic anomenat Jiuzhang – en honor a un manual pràctic de matemàtiques escrit entre els segles I i II AEC a la Xina – que ha estat capaç de resoldre uns càlculs extremament complicats en 200 segons; fita que ha publicat la revista Science el passat 18 de desembre. Per resoldre el mateix problema, un superordinador convencional hauria trigat 2.500 milions d’anys! Prendre una tassa de cafè o esperar que l’evolució porti dels bacteris fins a nosaltres. Aquesta escala de temps representa la meitat de l’edat de la Terra. Així doncs, l’eficiència incrementa en un factor de 1014.

Els càlculs que aborda el projecte xinés per a demostrar la potència del seu sistema quàntic es corresponen a un problema de física de partícules conegut com “mostreig de bosons”. Aquest sistema quàntic pioner que han desenvolupat es caracteritza perquè els seus qubits són fotons  i treballa a temperatura ambient. En contraposició, l’any 2019 Google va presentar la computadora quàntica Sycamore de 53 qubits, la qual, a diferencia del sistema quàntic Jiuzhang, és programable però ha de treballar a temperatures pròximes al zero absolut, -273.15°C. Malgrat que el sistema quàntic Jiuzhang no és programable i només resol uns càlculs en concret, si el problema és prou rellevant, pot ser interessant construir una màquina específicament per a abordar-lo. Aquest projecte xinès ha demostrat la utilitat de la fotònica per a construir ordinadors quàntics i ha refermant aquesta línia de recerca.

Per entendre l’enorme potencial que ofereix la tecnologia quàntica és important presentar el qubit.  

Primer de tot repassem com és defineix el bit. El bit – de l'anglès, binary digit, "dígit binari"– és la unitat d'informació mínima utilitzada en Informàtica i en Teoria de la Informació. Un bit pot tenir només dos estats mútuament excloents que es representen habitualment amb 0 i 1.

El desenvolupament de la mecànica quàntica permet establir una nova unitat d’informació: el qubit – de l'anglès, quantum bit–. Els possibles estats del qubit són el |0⟩ i |1⟩ seguint la notació de Dirac, que és la notació estàndard per als estats en  mecànica quàntica, i són anàlegs als estats 0 i 1 del bit clàssic. La diferencia del qubit respecte el bit és que el qubit és una combinació lineal d’ambdós estats |0⟩ i |1⟩, fet que rep el nom de superposició.

 

|ψ⟩ = α |0⟩ + β |1⟩

 

Els coeficients α i β són nombres complexos (α, β ∈ ℂ) i determinen amb quina probabilitat s’obtenen els estats |0⟩ i |1⟩ quan és fa una mesura. D’aquesta manera, quan mesurem un qubit obtenim el valor 0 amb una probabilitat |α|2 o el valor 1 amb una probabilitat |β|2. Atès que la suma de les probabilitats corresponents a tots els estats possibles és sempre 1 obtenim la següent relació: |α|2 + |β|2 = 1.

 

Figura 1. Representació gràfica del bit clàssic vs. l’Esfera de Bloch (representació d’1 qubit).

 

La superposició d’estats que introdueix el qubit s’estén quan enlloc de tenir 1 qubit en tenim més. Així doncs observem que:

  • 1 bit pot ser 0 o 1 mentre que 1 qubit representa una superposició de 0 i 1.
  • 2 bits poden ser 00, 01, 10 o 11 mentre que 2 qubits representen una superposició de 00, 01, 10 i 11.
  • 3 bits poden ser 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 o 111 mentre que 3 qubits representen una superposició de 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 i 111.

I així successivament, de manera que un sistema quàntic amb N qubits representa 2N estats simultàniament.

Figura 2. Representació del Bit clàssic vs. Representació del Qubit.

 

Per tant, d’una banda un sistema clàssic funciona seguint una lògica booleana i opera seqüencialment sobre N bits i, d’altra banda un sistema quàntic segueix una lògica quàntica que permet operar en paral·lel sobre 2N estats.

De la mateixa manera que els sistemes clàssics utilitzen les conegudes portes lògiques – AND, OR, XOR, NOT –, els sistemes quàntics es regeixen per portes quàntiques. La naturalesa de les portes quàntiques ve establerta per la mecànica quàntica i una de les propietats més interessant és que, a diferència de les portes lògiques dels sistemes clàssics, són reversibles.

Aquesta breu explicació plasma alguns dels aspectes fonamentals de la computació quàntica que justifiquen el gran potencial de la revolució quàntica que estem vivint. Actualment, hi ha diverses iniciatives dedicades a investigar i desenvolupar l’emergent tecnologia quàntica. A la Unió Europea esta en marxa el projecte Quantum Flagship, que compte amb un finançament de 1.000 milions d’euros; als Estats Units hi ha una iniciativa quàntica nacional, que compte amb 1.200 milions de dòlars, i la Xina esta construint un laboratori immens de tecnologia quàntica i el programa nacional esta dotat amb 15.000 milions de dòlars.

En un futur, amb l’ajuda de la tecnologia quàntica s’espera que hi hagi grans avenços en camps com la intel·ligència artificial, la ciberseguretat o el desenvolupament de xarxes neuronals quàntiques, entre d’altres aplicacions que ara mateix no hem ni imaginat a causa de l’estat embrionari en el qual encara es troba.

Per acabar, es convenient recordar l’efemèride del 9 de gener de 1954 quan l’empresa IBM va presentar a Nova York la primera calculadora de circuits integrals o cervell electrònic ja que és  possible que nosaltres, ara mateix, estiguem vivint un moment històric anàleg amb els avenços en tecnologia quàntica que pronostiquen un futur esperançador i ple de noves possibilitats.

 

BIBLIOGRAFIA / REFERÈNCIES 

Nielsen, M. A. & Chuang, I. L. (2012). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge: Cambridge University Press.

Zhong HS, Wang H, Deng YH, Chen MC, Peng LC, Luo YH, Qin J, Wu D, Ding X, Hu Y, Hu P, Yang XY, Zhang WJ, Li H, Li Y, Jiang X, Gan L, Yang G, You L, Wang Z, Li L, Liu NL, Lu CY, Pan JW (2020). Quantum computational advantage using photons. Science 370(6523):1460-1463.

Arute F, Arya K, Babbush R, Bacon D, et al. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature. 574(7779):505-510.

Segueix-nos a

Els nostres articles del bloc d'inLab FIB

         
         

inLab FIB incorpora esCert

Icona ESCERT

First LogoCSIRT Logo

inLab és membre de

CIT UPC

inLab és centre TECNIO

ACCIO