Què són els ordinadors quàntics?

Els ordinadors quàntics tenen el potencial d'augmentar dràsticament la varietat i la precisió dels càlculs, obrint noves aplicacions per a ordinadors i millorant els nostres models de fenomen físic. Tanmateix, mentre que els ordinadors quàntics estan veient una cobertura mediàtica creixent, molts encara no estan segurs de com es diferencien els ordinadors quàntics dels ordinadors normals. Examinem com funcionen els ordinadors quàntics, algunes de les seves aplicacions i el seu futur.

Què és un ordinador quàntic?

Abans podem examinar de manera significativa com els ordinadors quàntics funcionen, primer hem de definir ordinadors quàntics. La definició breu d'ordinador quàntic és aquesta: un ordinador, basat en la mecànica quàntica, capaç de dur a terme determinats càlculs complexos amb molta més eficiència que els ordinadors tradicionals. Aquesta és una definició ràpida dels ordinadors quàntics, però voldríem prendre una estona per entendre realment què separa els ordinadors quàntics dels ordinadors tradicionals.

Els ordinadors normals codifiquen la informació amb un sistema binari: representa cada bit de les dades com un o com un zero. Les sèries d'uns i zeros s'encadenen per representar fragments complexos d'informació com text, imatges i àudio. No obstant això, en aquests sistemes binaris, la informació només es pot emmagatzemar com a uns i zeros, el que significa que hi ha un límit dur a la manera de representar i interpretar les dades i que a mesura que les dades es tornen més complexes, necessàriament s'han de convertir en cadenes d'uns i més llargues. zeros.

La raó per la qual els ordinadors quàntics són capaços d'emmagatzemar i interpretar dades de manera més eficient és perquè no utilitzen bits per representar dades, sinó que utilitzen "qubits”. Els qubits són partícules subatòmiques com fotons i electrons. Els qubits tenen un parell de propietats interessants que els fan útils per a nous mètodes de càlcul. Els qubits tenen dues propietats que els enginyers informàtics poden aprofitar: superposicions i entrellaçats.

Les superposicions quàntiques permeten que els qubits existeixin no només en l'estat "un" o en l'estat "zero", sinó al llarg d'un continu entre aquests estats, el que significa que es pot mantenir més informació mitjançant els qubits. Mentrestant, l'entrellat quàntic es refereix a un fenomen on es poden generar parells de qubits i si un qubit s'altera l'altre qubit també s'altera, de manera previsible. Aquestes propietats quàntiques es poden utilitzar per representar i estructurar dades complexes de maneres més eficients.

Com funcionen els ordinadors quàntics

Les "superposicions" quàntiques reben el seu nom pel fet que poden estar en més d'una posició alhora. Si bé els bits poden estar en només dues posicions, els qubits poden existir en diversos estats alhora.

Gràcies en part a l'existència de superposicions quàntiques, un ordinador quàntic és capaç de calcular molts resultats potencials diferents al mateix temps. Un cop fets els càlculs, es mesuren els qubits, la qual cosa crea un resultat final mitjançant el col·lapse de l'estat quàntic a 0 o 1, el que significa que el resultat pot ser interpretat per ordinadors tradicionals.

Els investigadors i enginyers de computació quàntica poden alterar la posició en què es troben els qubits utilitzant microones o làsers de precisió.

Els enginyers informàtics poden aprofitar l'entrellat quàntic per millorar dràsticament la potència de processament dels ordinadors. L'entrellat quàntic es refereix al fet que dos qubits es poden enllaçar de tal manera que canviar un dels qubits altera l'altre qubit d'una manera fiable. No s'entén del tot per què els qubits poden establir aquesta relació o com funciona exactament aquest fenomen, però els científics ho entenen prou bé com per aprofitar-ne potencialment per als ordinadors quàntics. A causa de l'entrellat quàntic, l'addició de qubits addicionals a una màquina quàntica no només duplica la potència de processament d'un ordinador, sinó que pot escalar la potència de processament de manera exponencial.

Si tot això ha semblat una mica massa abstracte, podem descriure com són útils les superposicions imaginant un laberint. Perquè un ordinador normal intenti resoldre un laberint, ha de provar cada camí del laberint fins que trobi una ruta correcta. Tanmateix, un ordinador quàntic podria explorar essencialment tots els diferents camins alhora, ja que no està lligat a cap estat determinat.

Tot això vol dir que les propietats de l'entrellat i les superposicions fan que els ordinadors quàntics siguin útils perquè poden fer front a la incertesa, són capaços d'explorar més estats i resultats possibles. Els ordinadors quàntics ajudaran els científics i els enginyers a modelar i entendre millor situacions que tenen múltiples facetes, amb moltes variables.

Per a què serveixen els ordinadors quàntics?

Ara que tenim una millor intuïció de com funcionen els ordinadors quàntics, explorem el possible casos d'ús per a ordinadors quàntics.

Ja hem al·ludit al fet que els ordinadors quàntics es poden utilitzar per dur a terme càlculs tradicionals a un ritme molt més ràpid. Tanmateix, la tecnologia informàtica quàntica es pot utilitzar per aconseguir coses que potser ni tan sols siguin possibles, o que siguin molt poc pràctiques, amb els ordinadors tradicionals.

Una de les aplicacions més prometedores i interessants dels ordinadors quàntics és en el camp de la intel·ligència artificial. Els ordinadors quàntics tenen el poder de millorar els models creats per les xarxes neuronals, així com el programari que els admet. Google està utilitzant actualment els seus ordinadors quàntics per ajudar en la creació de vehicles autònoms.

Els ordinadors quàntics també tenen un paper a jugar en l'anàlisi interaccions i reaccions químiques. Fins i tot els ordinadors normals més avançats només poden modelar reaccions entre molècules relativament simples, cosa que aconsegueixen simulant les propietats de les molècules en qüestió. Els ordinadors quàntics, però, permeten als investigadors crear models que tinguin les propietats quàntiques exactes com les molècules que estan investigant. Un modelatge de molècules més ràpid i precís ajudaria a la creació de nous fàrmacs terapèutics i nous materials per utilitzar-los en la creació de tecnologia energètica, com ara panells solars més eficients.

També es poden utilitzar ordinadors quàntics per predir millor el temps. El temps és la confluència de molts esdeveniments i les fórmules utilitzades per predir els patrons meteorològics són complicades i contenen moltes variables. Pot trigar molt de temps a dur a terme tots els càlculs necessaris per predir el temps, durant el qual les condicions meteorològiques poden evolucionar. Afortunadament, les equacions utilitzades per predir el temps tenen una naturalesa ondulatòria que un ordinador quàntic pot explotar. Els ordinadors quàntics poden ajudar els investigadors a construir models climàtics més precisos, que són necessaris en un món on el clima està canviant.

També es poden utilitzar ordinadors i algorismes quàntics per ajudar a garantir la privadesa de les dades de les persones. Criptografia quàntica fa ús del principi d'incertesa quàntica, on qualsevol intent de mesurar un objecte acaba fent canvis en aquest objecte. Els intents d'interceptar comunicacions influirien en la comunicació resultant i mostrarien evidències de manipulació.

Futur de la computació quàntica

La majoria dels usos dels ordinadors quàntics es limitaran als acadèmics i a les empreses. És poc probable que els consumidors/el públic en general obtinguin telèfons intel·ligents quàntics, almenys no aviat. Això es deu al fet que requereix equips especialitzats per fer funcionar un ordinador quàntic. Els ordinadors quàntics són molt sensibles a les pertorbacions, ja que fins i tot els canvis més minúsculs en l'entorn pot fer que els qubits canviïn de posició i surtin de l'estat de superposició. Això s'anomena decoherència, i és una de les raons per les quals els avenços en els ordinadors quàntics semblen arribar tan lentament en comparació amb els ordinadors normals. Normalment, els ordinadors quàntics necessiten funcionar en condicions de temperatures extremes baixes, aïllats d'altres equips elèctrics.

Fins i tot amb totes les precaucions, el soroll encara aconsegueix crear errors en els càlculs i els investigadors estan buscant maneres de fer que els qubits siguin més fiables. Per aconseguir la supremacia quàntica, on un ordinador quàntic eclipsa completament la potència d'un superordinador actual, els qubits s'han d'enllaçar. Un ordinador suprem veritablement quàntic podria requerir milers de qubits, però els millors ordinadors quàntics actuals poden fer-ho normalment només s'ocupen d'uns 50 qubits. Els investigadors estan constantment avançant cap a la creació de qubits més estables i fiables. Els experts en el camp dels ordinadors quàntics prediuen que els dispositius quàntics potents i fiables pot ser aquí d'aquí a una dècada.