Tendències de la computació quàntica


Tendències de la computació quàntica

La computació quàntica és l’àrea d’estudi centrada en el desenvolupament de tecnologia informàtica basada en els principis de la teoria quàntica.

S’estan invertint desenes de milers de milions de capitals públics i privats en tecnologies quàntiques. Els països de tot el món s’han adonat que les tecnologies quàntiques poden ser un gran disruptor de les empreses existents, han invertit col·lectivament 24.000 milions de dòlars en investigació i aplicacions quàntiques el 2021.

quantum_research_and_applications.jpeg

Una comparació de la informàtica clàssica i quàntica

Què és la computació quàntica

Informàtica clàssica es basa, en el seu nivell últim, en principis expressats per l’àlgebra de Boole. Les dades s’han de processar en un estat binari exclusiu en qualsevol moment o el que anomenem bits. Tot i que el temps que cada transistor o condensador necessita estar en 0 o 1 abans de canviar d’estat ara es pot mesurar en mil·milionèsimes de segon, encara hi ha un límit quant a la rapidesa amb què aquests dispositius poden canviar d’estat.

A mesura que avancem cap a circuits més petits i ràpids, comencem a assolir els límits físics dels materials i el llindar per aplicar les lleis clàssiques de la física. Més enllà d’això, el món quàntic es fa càrrec, en un ordinador quàntic, es poden utilitzar una sèrie de partícules elementals com electrons o fotons amb els seus carregar o polarització actuant com a representació de 0 i/o 1. Cadascuna d’aquestes partícules es coneix com a bit quàntic, o qubit, la naturalesa i el comportament d’aquestes partícules formen la base de la computació quàntica. Els ordinadors clàssics utilitzen transistors com a components físics de la lògica, mentre que els ordinadors quàntics poden utilitzar ions atrapats, bucles superconductors, punts quàntics o vacants en un diamant.

Qubits físics vs lògics

Quan parlem d’ordinadors quàntics amb correcció d’errors, parlem de qubits físics i lògics. Els qubits físics són els qubits físics dels ordinadors quàntics, mentre que els qubits lògics són grups de qubits físics que utilitzem com a qubit únic en el nostre càlcul per combatre el soroll i millorar la correcció d’errors.

Per il·lustrar-ho, considerem un exemple d’ordinador quàntic amb 100 qubits. Suposem que aquest ordinador és propens al soroll, per solucionar-ho podem utilitzar diversos qubits per formar un únic qubit més estable. Podríem decidir que necessitem 10 qubits físics per formar un qubit lògic acceptable. En aquest cas diríem que el nostre ordinador quàntic té 100 qubits físics que fem servir com a 10 qubits lògics.

És important distingir entre qubits físics i lògics. Hi ha moltes estimacions de quants qubits necessitarem per realitzar determinats càlculs, però algunes d’aquestes estimacions parlen de qubits lògics i altres parlen de qubits físics. Per exemple: per trencar la criptografia RSA necessitaríem milers de qubits lògics però milions de qubits físics.

Una altra cosa a tenir en compte, en un ordinador clàssic la potència de càlcul augmenta linealment amb el nombre de transistors i la velocitat del rellotge, mentre que en un ordinador quàntic la potència de càlcul augmenta exponencialment amb l’addició de cada qubit lògic.

Superposició i entrellaçament quàntics

Els dos aspectes més rellevants de la física quàntica són els principis de superposició i enredament.

Superposició: Penseu en un qubit com un electró en un camp magnètic. L’espín de l’electró pot estar alineat amb el camp, que es coneix com a estat de rotació, o oposat al camp, que es coneix com a estat de rotació. Segons la llei quàntica, la partícula entra en una superposició d’estats, en la qual es comporta com si estigués en els dos estats simultàniament. Cada qubit utilitzat podria tenir una superposició de 0 i 1. Quan un registre de 2 bits en un ordinador normal només pot emmagatzemar una de les quatre configuracions binàries (00, 01, 10 o 11) en un moment donat, un qubit de 2 El registre en un ordinador quàntic pot emmagatzemar els quatre nombres simultàniament, perquè cada qubit representa dos valors. Si s’afegeixen més qubits, la capacitat augmentada s’amplia de manera exponencial.

Enredatst: Les partícules que han interaccionat en algun moment conserven un tipus de connexió i es poden enredar entre elles per parelles, en un procés conegut com a correlació. Conèixer l’estat de rotació d’una partícula entrellaçada, cap amunt o cap avall, permet saber que el gir de la seva parella està en la direcció oposada. L’entrellat quàntic permet que els qubits que estan separats per distàncies increïbles interactuïn entre ells de manera instantània (no limitat a la velocitat de la llum). Per gran que sigui la distància entre les partícules correlacionades, romandran enredades mentre estiguin aïllades. En conjunt, la superposició quàntica i l’entrellat creen una potència de càlcul enormement millorada.

Quantum_Computers_Categories.jpeg

Els ordinadors quàntics es divideixen en quatre categories:

  1. Emulador/Simulador quàntic
  2. Recuit quàntic
  3. Quantum d’escala intermèdia sorollosa (NISQ)
  4. Ordinador quàntic universal: que pot ser un ordinador quàntic rellevant criptogràficament (CRQC)

Emulador/Simulador quàntic

Es tracta d’ordinadors clàssics que podeu comprar avui dia que simulen algorismes quàntics. Faciliten la prova i la depuració d’un algorisme quàntic que algun dia es podrà executar en un ordinador quàntic universal (UQC). Com que no utilitzen cap maquinari quàntic, no són més ràpids que els ordinadors estàndard.

Recuit quàntic

Un ordinador quàntic de propòsit especial dissenyat per executar només problemes d’optimització combinatòria, no problemes de computació de propòsit general ni de criptografia. Tot i que tenen més qubits físics que qualsevol altre sistema actual, no estan organitzats com a qubits lògics basats en la porta. Actualment es tracta d’una tecnologia comercial a la recerca d’un futur mercat viable.

Ordinadors quàntics d’escala mitjana sorollosa (NISQ).

Penseu en aquests com prototips d’un ordinador quàntic universal, amb diversos ordres de magnitud menys de bits. Actualment tenen 50-100 qubits, profunditats de porta limitades i temps de coherència curts. Com que hi ha diversos ordres de magnitud de Qubits, els ordinadors NISQ no poden realitzar cap càlcul útil, però són una fase necessària en l’aprenentatge, especialment per impulsar l’aprenentatge total del sistema i del programari en paral·lel al desenvolupament del maquinari. Penseu en ells com a rodes d’entrenament per als futurs ordinadors quàntics universals.

Computadors quàntics universals / Computadors quàntics rellevants criptogràficament (CRQC)

Aquest és l’objectiu final. Si poguéssiu construir un ordinador quàntic universal amb tolerància a errors (és a dir, milions de qubits físics corregits per errors que resultin en milers de qubits lògics), podríeu executar algorismes quàntics en criptografia, cerca i optimització, simulacions de sistemes quàntics i solucionadors d’equacions lineals.

Post-Quàntics / Codis resistents al quàntic

Els nous sistemes criptogràfics serien segurs tant contra ordinadors quàntics com convencionals i poden interoperar amb els protocols i xarxes de comunicació existents. Els algorismes de clau simètrica de la suite d’algoritmes de seguretat nacional comercial (CNSA) es van seleccionar per ser segurs per a l’ús de sistemes de seguretat nacionals, fins i tot si es desenvolupa un CRQC. Inclou esquemes criptogràfics que la indústria comercial creu que són segurs quàntics criptografia basada en gelosia, arbres hash, equacions multivariants i corbes el·líptiques d’isogènia supersingular.

Dificultats amb els ordinadors quàntics

De què estan fets els ordinadors quàntics

Interferència – Durant la fase de càlcul d’un càlcul quàntic, la menor pertorbació en un sistema quàntic (per exemple, un fotó perdut o una ona de radiació EM) fa que el càlcul quàntic s’enfonsi, un procés conegut com a descoherència. Un ordinador quàntic ha d’estar totalment aïllat de totes les interferències externes durant la fase de càlcul.

Correcció d’errors – Donada la naturalesa de la computació quàntica, la correcció d’errors és ultracrítica; fins i tot un únic error en un càlcul pot provocar que la validesa de tot el càlcul es col·lapsa.

Observació de la sortida – Estretament relacionat amb els dos anteriors, recuperar les dades de sortida després d’un càlcul quàntic és complet corre el risc de corrompre les dades.