Oamenii de știință lucrează la aducerea proprietăților calculatoarelor cuantice la calculatoarele clasice

Un grup de oameni de știință de la Universitatea Linköping au reușit să demonstreze cum funcționează un calculator cuantic și au simulat proprietățile acestuia pe un calculator clasic. 

“Rezultatele noastre ar trebui să fie foarte semnificative în determinarea modului în care se construiesc calculatoarele cuantice,” a declarat profesorul Jan-Åke Larsson. 

Suedia, Europa și alte părți ale lumii au investit resurse importante și s-au concentrat pe cercetarea pentru a crea calculatoare cuantice extrem de rapide și puternice. În următorii zece ani, se așteaptă ca un calculator cuantic suedez să fie construit, iar UE a considerat tehnologia cuantică una dintre proiectele sale majore. 

În prezent, avem puține algoritmi utile care pot fi utilizați pentru calculatoarele cuantice. Chiar și așa, această tehnologie va fi extrem de importantă în simularea sistemelor biologice, chimice și fizice. Multe dintre acestea sunt prea complexe pentru cele mai puternice calculatoare pe care le avem în prezent. Într-un calculator, un bit poate avea valoarea unu sau zero, dar un bit cuantic poate avea toate valorile intermediare. Acest lucru înseamnă că calculatoarele cuantice nu necesită atâtea operații pentru fiecare calcul efectuat. 

Profesorul Jan-Åke Larsson și studentul său doctoral, Niklas Johansson, de la Divizia de Codificare a Informației de la Departamentul de Inginerie Electrică, Universitatea Linköping, au descoperit multe dintre motivele pentru care un calculator cuantic este mai puternic decât unul clasic. Ei au examinat, de asemenea, ce se întâmplă în interiorul unui calculator cuantic. 

Rezultatele cercetării au fost publicate în revista științifică Entropy.

“Am demonstrat că principala diferență constă în faptul că calculatoarele cuantice au două grade de libertate pentru fiecare bit. Prin simularea unui grad de libertate suplimentar într-un calculator clasic, putem rula unele algoritmi la aceeași viteză ca și cum ar fi realizați într-un calculator cuantic,” spune Jan-Åke Larsson.

Echipa a creat un instrument de simulare numit Logică de Simulare Cuantică, sau QSL. Acesta le permite să simuleze funcționarea unui calculator cuantic pe un calculator clasic. Logica de Simulare Cuantică are o proprietate specifică, și anume singura proprietate pe care o are un calculator cuantic și nu o are un calculator clasic. Aceasta este un grad de libertate suplimentar pentru fiecare bit care face parte din calcul. 

“Astfel, fiecare bit are două grade de libertate: poate fi comparat cu un sistem mecanic în care fiecare parte are două grade de libertate – poziție și viteză. În acest caz, ne ocupăm de biți de calcul – care poartă informații despre rezultatul funcției, și biți de fază – care poartă informații despre structura funcției,” explică Jan-Åke Larsson.

Instrumentul QSL a fost utilizat de echipă pentru a studia unele dintre algoritmii cuantici care sunt responsabili de gestionarea structurii funcției. Mulți dintre acești algoritmi sunt la fel de rapizi în simulări ca și cum ar fi realizați într-un calculator cuantic. 

“Rezultatul arată că viteza mai mare a calculatoarelor cuantice provine din capacitatea lor de a stoca, procesa și recupera informații într-un grad de libertate suplimentar. Acest lucru ne permite să înțelegem mai bine cum funcționează calculatoarele cuantice. De asemenea, această cunoaștere ar trebui să facă mai ușoară construirea calculatoarelor cuantice, deoarece știm care este proprietatea cea mai importantă pentru ca un calculator cuantic să funcționeze așa cum se așteaptă,” spune Jan-Åke Larsson.

Echipa a construit, de asemenea, o versiune fizică cu componente electronice. Ei au utilizat porți similare cu cele din calculatoarele cuantice și un instrument de simulare care simulează funcționarea unui calculator cuantic. Acest lucru poate permite studenților și altor persoane să simuleze și să înțeleagă cum funcționează criptografia cuantică și teleportarea cuantică, printre alte aspecte ale calculatoarelor cuantice. 

Această cercetare nouă poate contribui la creșterea intersecției dintre calculul cuantic și inteligența artificială. Una dintre aceste intersecții este mappingul de caracteristici. Alte cercetări efectuate de IBM Research, MIT și oameni de știință de la Oxford au arătat că, pe măsură ce calculatoarele cuantice devin mai puternice, vor fi capabile să efectueze mappingul de caracteristici pe structuri de date complexe, ceea ce calculatoarele clasice nu pot face. Mappingul de caracteristici este important în cadrul învățării automatizate și poate conduce la inteligență artificială mai eficientă care poate identifica modele în date pe care calculatoarele clasice nu le pot detecta. 

Pe măsură ce se desfășoară mai multe cercetări în aceste domenii, va exista o intersecție din ce în ce mai mare între cele două domenii importante.