Cât de revoluționară e descoperirea din fizica cuantică anunțată de Microsoft? Explicațiile unui fizician de specialitate
Cercetătorii de la Microsoft au anunțat săptămâna aceasta un avans revoluționar în domeniul fizicii cuantice prin crearea primilor „qubiți topologici” într-un cip care stochează informații într-o stare exotică a materiei, relatează revista The Conversation, care explică și ce înseamnă toate acestea.
Oamenii de știință implicați în proiect au publicat de asemenea și un articol în revista Nature despre cipul pe care l-a numit „Majorana 1” și o foaie de parcurs pentru viitoarele cercetări. Designul cipului este conceput pentru a găzdui până la un milion de qubiți, ceea ce ar putea fi suficient pentru a atinge multe dintre obiectivele importante ale calculului cuantic – cum ar fi spargerea codurilor criptografice și proiectarea mai rapidă a unor medicamente și materiale noi.
Dacă afirmațiile făcute de cercetătorii de la Microsoft se confirmă, compania ar putea depăși concurenți precum IBM și Google, care par să conducă în prezent cursa pentru construirea unui computer cuantic.
Totuși, articolul din Nature, evaluat de „inter pares”, prezintă doar o parte din ceea ce au susținut cercetătorii, iar foaia de parcurs arată încă numeroase obstacole de depășit. Deși comunicatul de presă al Microsoft prezintă ceva ce se presupune a fi hardware de calcul cuantic, nu avem nicio confirmare independentă a capacităților sale. Cu toate acestea, vestea de la Microsoft este foarte promițătoare.
Probabil că aveți câteva întrebări. Ce este un qubit topologic? Ce este, de fapt, un qubit? Și de ce își doresc cercetătorii și nu nuami computere cuantice? Stephan Rachel, un profesor de mecanică cuantică de la Universitatea din Melbourne, explică toate aceste lucruri într-un articol publicat de The Conversation.
Qubiții cuantici sunt greu de creat
Computerele cuantice au fost gândite pentru prima dată în anii 1980. Dacă un computer obișnuit stochează informația în biți, un computer cuantic stochează informația în biți cuantici – sau qubiți.
Un bit obișnuit poate avea valoarea 0 sau 1, dar un bit cuantic (datorită legilor mecanicii cuantice, care guvernează particulele foarte mici) poate avea o combinație a ambelor. Dacă vă imaginați un bit obișnuit ca o săgeată care poate indica fie în sus, fie în jos, un qubit este o săgeată care poate indica în orice direcție (sau ceea ce se numește o „superpoziție” de sus și jos).
Aceasta înseamnă că un calculator cuantic ar fi mult mai rapid decât un computer obișnuit pentru anumite tipuri de calcule – în special pentru cele legate de decriptarea codurilor și simularea sistemelor naturale extrem de complexe.
Până aici, totul bine. Dar s-a dovedit că construirea unor qubiți reali și extragerea informației din ei este extrem de dificilă, deoarece interacțiunile cu lumea exterioară pot distruge stările cuantice fragile din interior.
Cercetătorii au încercat o mulțime de tehnologii diferite pentru a realiza qubiți, folosind lucruri precum atomi capturați în câmpuri electrice sau vârtejuri de curent care se rotesc în supraconductori.
Fire minuscule și particule exotice
Microsoft a adoptat o abordare foarte diferită pentru construirea „qubiților topologici”. Ei au utilizat așa-numitele particule Majorana, teoretizate pentru prima dată în 1937 de fizicianul italian Ettore Majorana.
Particulele Majorana nu sunt particule care apar în mod natural, precum electronii sau protonii. În schimb, ele există doar într-un tip rar de material numit supraconductor topologic (care necesită o proiectare avansată a materialului și răcirea sa la temperaturi extrem de scăzute).
De fapt, particulele Majorana sunt atât de exotice încât, de obicei, sunt studiate doar în universități, nu utilizate în aplicații practice.
Echipa Microsoft afirmă că a utilizat o pereche de fire minuscule, fiecare cu o particulă Majorana prinsă la capete, pentru a acționa ca un qubit. Ei măsoară valoarea qubitului – exprimată prin prezența unui electron într-un fir sau altul – folosind microunde.
Biți „împletiți” la nivel cuantic
De ce a depus Microsoft tot acest efort? Pentru că, prin schimbarea pozițiilor particulelor Majorana (sau prin măsurarea lor într-un anumit mod), acestea pot fi „împletite” astfel încât să fie măsurate fără erori și să fie rezistente la interferențele externe. Aceasta este partea „topologică” din „qubiți topologici”.
În teorie, un computer cuantic construit cu particule Majorana poate fi complet lipsit de erorile care afectează alte modele.
Acesta este motivul pentru care Microsoft a ales o abordare aparent atât de complicată. Alte tehnologii sunt mai predispuse la erori, iar sute de qubiți fizici ar putea fi necesari pentru a produce un singur „qubit logic” fiabil.
În schimb, Microsoft și-a investit timpul și resursele în dezvoltarea qubiților bazați pe particule Majorana. Deși au intrat târziu în cursa calculului cuantic, cercetătorii de la Microsoft speră acum să recupereze rapid.
Ce urmează pentru Microsoft și cercetători?
Ca întotdeauna, dacă ceva sună prea bine pentru a fi adevărat, există și un „dar…”. Chiar și pentru un computer cuantic bazat pe particule Majorana, precum cel anunțat de Microsoft, o operațiune – cunoscută sub numele de „T-gate” – nu va putea fi realizată fără erori.
Așadar, cipul cuantic bazat pe Majorana este doar „aproape fără erori”. Totuși, corectarea erorilor T-gate este mult mai simplă decât corectarea generală a erorilor în alte platforme cuantice.
Microsoft va încerca să avanseze conform foii sale de parcurs, construind treptat colecții din ce în ce mai mari de qubiți.
Comunitatea științifică va urmări cu atenție modul în care procesoarele cuantice ale Microsoft funcționează și cum se compară cu celelalte procesoare cuantice deja existente.
În același timp, cercetările privind comportamentul exotic și obscur al particulelor Majorana vor continua în universități din jurul lumii.
Sper că ți-a plăcut rubrica Nerd Alert de weekendul acesta. În caz că ești curios să arunci o privire și peste cea de duminica trecută, o poți găsi aici:
