Qualculatorul, noua bombă atomică

În celebra sa carte „The Emperor’s New Mind”, matematicianul și filosoful englez Sir Roger Penrose scrie că mecanica cuantică joacă un rol esențial în înțelegerea conștiinței umane.

Creierul poate fi asemuit unui computer bio-cuantic, așa sună una dintre cele mai frumoase idei ale acestei cărți. Te și întrebi: dacă mintea noastră e o minunăție cuantică, cum de nu putem să facem operații matematice elementare cu numere relativ mari?

Sigur, există excepții, acele persoane denumite „mental calculator”. Iar evoluționiștii ar putea spune că pentru supraviețuirea în salbăticie nu ne era necesar un astfel de avantaj. O altă întrebare, dacă tot am ajuns la evoluționism, ar fi legată de creierul mamiferelor, în general: oare o pisică, în spatele mustăților, are un mic calculator cuantic special pregătit pentru a vâna rozătoare?

*

Dar poate am luat-o prea pe ocolite pentru a introduce tema acestui text.

Quantum computing este știința care studiază sistemele de calcul (teoretice) care se folosesc de fenomene (fizice) cuantice pentru a efectua operații asupra datelor.

Calculatoarele convenționale lucrează cu biți – unitatea de bază în stocarea informației. Un bit poate avea două stări: 0 și 1. Deci, un calculator cu N biți poate să se afle, la un moment dat, într-una dintre cele 2N stări posibile.

Echivalentul cuantic al unui bit este așa-numitul qubit, care este, logic, unitatea de stocare a informației într-un calculator cuantic. Diferența fundamentală față de un calculator convențional – cea care fascinează și, deopotrivă, contrariază mintea omului – este că acesta din urmă, datorită fenomenelor cuantice, ar putea să se afle, simultan, în mai multe stări sau chiar în toate cele 2N stări.

Cum e posibil?

Teoretic, un calculator cuantic funcționează astfel: un număr de qubiți sunt setați în starea inițială, astfel încât să reprezinte problema ce trebuie rezolvată. Apoi, acești qubiți sunt manipulați cu o secvență finită de porți logice (circuitele care efectuează operații în orice procesor). Această secvență de porți logice cuantice reprezintă, de fapt, algoritmul.

Procesul se încheie printr-o măsurătoare care reduce starea sistemului (a șirului de qubiți) la o singură stare, adică un șir de 0 și 1 de lungime N, ceea ce reprezintă soluția problemei. Rezultatul este unul probabilistic, iar algoritmii cuantici sunt de cele mai multe ori nedeterminiști.

De ce ne interesează calculatoarele cuantice când afară ninge așa de frumos?

Pentru că apariția lor, care este iminentă, și apoi răspândirea lor, în următoarele decenii, ne vor ajuta să luptăm împotriva cancerului sau a altor forme de rău, fie și cu chip uman: terorismul. Ne vor ajuta, de pildă, să prezicem starea vremii din timp și mult mai corect. În plus, vor soluționa o întreagă pleiadă de probleme care par fără răspuns sau care sunt foarte grele; cum ar spune câțiva colegi de-ai mei: nerezolvabile în timp polinomial.

La fel ca multe dintre invențiile extrem de importante din ultimele decenii, avansul în acest domeniu este însă mânat de necesitatea militară. Aici se duce lupta surdă, ascunsă privirilor noastre. Dacă are interesul național în prim-plan, orice instituție de apărare lucrează – sau trebuie să lucreze -, direct sau indirect (prin finanțare), la un calculator cuantic.

De ce? Pentru că un qualculator – hai să denumim astfel calculatorul cuantic – care implementează algoritmul de factorizare al lui Shor (descoperit acum mai bine de 20 de ani) ar putea să decripteze orice comunicație securizată.

O asemenea reușită ar echivala, în vremurile noastre, cu puterea națiunii care a deținut bomba atomică în 1945.

Probabil că terorismul, așa cum îl știm azi, ar înceta să mai existe. Cel puțin pentru o scurtă perioadă de timp. Fiindcă există deja un concept numit „criptografie post-quantum”, care aduce o serie de algoritmi de criptare ce par capabili să reziste amenințării calculatoarelor cuantice. Kuhn și a sa structură a revoluțiilor științifice se aplică și aici.

*

Presa străină a scris mult în ultima perioadă despre avansul în implementarea unui calculator cuantic. Știrile menționează cel mai des o mică firmă canadiană, D-Wave Systems. În august 2015, această companie anunța a doua generație de calculatoare cuantice: D-Wave 2X.

NASA, Google, Lockheed Martin se numără printre primii achizitori ai câte unui 2X.

De dimensiunile unui supercomputer din anii ’70, cu peste 1000 de qubiți – număr ce variază semnificativ de la procesor la procesor, datorită procesului de fabricație predispus la erori -, D-Wave 2X nu este un calculator cuantic de uz general.

Poate rezolva un singur tip de problemă, numită „quantum annealing”, ce găsește minimul global al unei funcții folosind metode euristice. Nu este clar încă dacă D-Wave este sau nu un calculator cuantic în adevăratul sens al cuvântului, pentru că încă nu există o definiție exactă a termenului.

Pe de o parte, există lucrări care spun că D-Wave nu este mai rapid decât un laptop ordinar. Pe de altă parte, NASA a publicat în decembrie 2015 un test în care afirmă că D-Wave a rezolvat în 10 milisecunde o problemă pe care un computer standard ar soluționa-o în 100 de zile. Au apărut imediat voci care susțin că implementarea de pe calculatorul clasic nu era optimizată, ceea ce ar fi redus considerabil timpul de procesare.

Ce știm sigur este că IBM, Microsoft, Google, Intel și alte companii de nivel mondial investesc în construcția unui calculator cuantic. Mai știm că D-Wave pare să promită o astfel de veste în deceniul care tocmai a trecut în a doua sa jumătate.

Dar dacă, între timp, o structură guvernamentală va reuși implementarea unui qualculator înaintea acestor companii private, noi n-o vom afla decât peste câteva decenii.