Tehnologie cuantică

Competiția țărilor și laboratoarelor în domeniul cercetării și inovării tehnologice de vârf s-a intensificat în ultimii ani și nu se va reduce în viitorul previzibil. Trei indicatori mi se par în acest moment noi și importanți.

Fostul demnitar englez Mustafa Suleyman (care a și scris, împreună cu Michael Bhaskar, cartea de rară penetrație The Coming Waves, Crown/Penguin, Random House, 2023), arată că în ceea ce privește geopolitica dezvoltării tehnologice pe axa inteligenței artificiale și a biologiei sintetice, SUA și țările occidentale sunt primul actor. Dar ele nu mai au avansul pe care l-au avut.

Universitățile Thinghua și Beijing sunt în competiție cu Stanford, MIT, Oxford. China are mai multe publicații în domeniu decât SUA, Marea Britanie, India și Germania la un loc. În 2007, China a depășit SUA la efectivul de doctoranzi – el este acum dublu. In secolul actual, investițiile în cercetare sunt în China comparabile cu cele ale SUA (90% din acestea). China este prima țară care a putut trimite un satelit pe cealaltă față a Lunii. Ea dispune de patru sute de computere superioare oricărei alte țări și deține capacitatea cea mai mare de secvențiere a DNA. Firmele Tencent, Alibaba, DJI, Huawei, ByreDance asigură superioritatea în comunicațiile 6G, în fotovoltaic și în informatica cuantică. China deține deja dublul patentelor în tehnologia cuantică.

Economiști de vârf consideră că, indiferent ce se va întâmpla, China va avea propriul „bloc economic și comercial”, cu sistemul digital de plăți BRICS Pay. Aceasta este o tehnologie de ultimă oră, efect al „fuzionării capitalului cloud și a finanțelor”.

Presa internațională a fost frapată de rezultatele din 2023 ale unei analize făcute în Australia, la solicitarea Departamentului de Stat al SUA, și publicată în „Strategic Policy Institute”. Analiza a etalat fapte șocante. Anume, că „Beijingul este pe cale de a stabili monopoluri în opt domenii de vârf, printre care se numără fabricarea nanomaterialelor, biologia sintetică și producția de energie cu ajutorul amoniacului şi a hidrogenului”, că „în ultimii cinci ani, China a produs aproape jumătate dintre cercetările de mare impact la nivel mondial în privința sistemelor de propulsie hipersonice, ceea ce a dus la crearea de rachete hipersonice ce pot transporta încărcătură nucleară în 2021”, că „Statele Unite sunt în urma Chinei în cursa dezvoltării noilor tehnologii precum sistemele de propulsie hipersonică sau sistemele de comunicații de tip 5G şi 6G, cu potențialul de a avea un monopol când vine vorba de nanomateriale și biologie sintetică”. China „a construit fundațiile necesare pentru a deveni cea mai avansată superputere mondială în domeniile științei și tehnologiei, având uneori un avans impresionant în cercetările din domeniile tehnologiei emergente de importanță mare”, se arată în raport. „În privința unora dintre noile tehnologii, primele zece cele mai bune institute de cercetare din lume pot fi localizate toate în China și ele împreună generează de nouă ori mai multe studii de mare impact decât țara aflată pe locul doi, de multe ori SUA”. Între altele, „Academia Chineză de Știință a fost plasată pe primul sau al doilea loc în toate cele 44 de domenii analizate”.

Acum, însăși tânăra și exploziva industrie a calculatoarelor și năvalnica cercetare științifică și tehnologică ce o susține sunt în fața unui prag istoric: trecerea la computerele cuantice. Miezul schimbării este acela că, în vreme ce computerele actuale, numite digitale, operează cu bitul de informație, introdus de către Shannon, în computerele cuantice se operează cu qubitul (sau quantumul de informație) – care este incomparabil mai complex. El iese din cadrele logicii și matematicii liniare, consacrate, fiind reprezentabil abia pe o sferă, ca punct între poli pe suprafață.

Qubitul este rezultat al aplicării mecanicii cuantice, care a dezvăluit, cum se știe, proprietăți ale entităților de la nivel cuantic, particule și unde, și a permis astfel elaborarea de algoritmi pentru a efectua calcule. De la început s-au discutat în această elaborare proprietăți ca „suprapunerea”, adică luarea a trei valori – două valori și una intermediară, eventual toate în același timp, și „inseparabilitatea (entaglement)” atomilor, constând în faptul că atomii sunt legați mai profund, mai surprinzător, mai dificil de intuit decât obiectele experienței curente. Tocmai pe baza unor asemenea proprietăți, calculul sporește în complexitate și în viteză. Iar la bază se elaborează algoritmi de mai bună performanță.

Matematica s-a dezvoltat pentru a fi capabilă să abordeze mișcarea particulelor și undelor și să dea algoritmi care să ghideze computația. Ea convertește proprietăți ale proceselor cuantice în formule cu ajutorul cărora computerele desfășoară operații până acum necunoscute, extrem de utile. O lume mult mai complexă devine accesibilă computației.

Ceea ce contează din mecanica cuantică în construcția computerelor cuantice este faptul că descrie mișcarea atomilor, nu a obiectelor din experiența uzuală, după ce s-a observat că obiectele emit radiații electromagnetice. Mecanica cuantică inițială s-a concentrat asupra structurii atomice a obiectelor, iar în urma contactului cu teoria relativității, și-a adăugat studiul dinamicii – electrodinamica cuantică.

Mai contează și faptul că mecanica cuantică modelează și descrie atomii ca ansambluri abordabile statistic. În această abordare au intervenit asumpții care s-au confirmat. Este vorba, înainte de toate, de „constanta lui Planck”, care își asumă că realitatea atomică este fundamental discretă, și de „principiul incertitudinii al lui Heisenberg”, care spune că poziția și impulsul unui atom, caracterul de corpuscul și undă nu pot fi stabilite în același timp. Putem vorbi, așadar, de atomi doar statistic. De aici plecând, Heisenberg a arătat că teoria atomică trebuie să revină la ceea ce este observabil – frecvențele și intensitățile liniilor spectrale, iar Schrödinger a arătat că oricărui corpuscul îi este asociată o undă. Odată cu ecuația lui Dirac, s-a propus o teorie a electronului compatibilă cu teoria relativității și o matematică în consecință.

Ceea ce este de fundamentală importanță pentru construcția computerelor cuantice este faptul că stările atomilor sunt descrise ca stări dinamice apelând la matematica „funcțiilor de stare”. Iar această matematică admite că stările sunt într-un „spațiu vectorial” infinit-dimensional și se supun „superpoziției” – adică acelei combinații de valori 1 și 0 în spațiul vectorial ce permite operarea cu încă o valoare, intermediară. Aceasta se ia ca probabilitate și efect al interferenței de unde.
Desigur că interesează forma mecanicii cuantice care a stat la baza computerului cuantic. Ea este prezentată în principii care permit „descrierea electronului ca sumă simultană a diferitelor stări cuantice”. Pe baza acesteia „puterea calculatoare” a computerului crește în comparație cu computerul digital. Mai interesează, firește, și cum a fost convertită mecanica cuantică în abordarea particulei de către computerul cuantic. Aici intră în joc fenomene considerate în premieră („superpoziția”, „suma rutelor”, „tunelarea”), care, odată preluate în construcția computerului, îi măresc enorm performanțele. La rândul ei, construcția computerului (hardware) este modificată, spre a permite codificări și decodificări de informație noi, stări mai complexe, cu algoritmi de calcul corespunzători.

Ambele computere – cel digital și cel cuantic – fac calcule conform unor algoritmi. Ce se câștigă prin trecerea de la computerul de azi, la computerul cuantic? Problemele ce se pot pune computerului sunt mult mai complexe și se rezolvă mult mai rapid. Teza de circulație astăzi a așa-numitei „Quantum Supremacy” trimite la marile abilități ale computației cuantice.
Michio Kaku a lămurit cum a evoluat teoria cuantică până la a genera computerul cuantic. El subliniază că „în vreme ce computerele existente, digitale, computează pe tranzistori minusculi, computerele cuantice computează pe obiectele cele mai minuscule posibile, atomii”. Ele sunt alt fel de computere și întrec în performanțe computerele digitale. Cel mai avansat supercomputer digital nu poate atinge performanțele computerului cuantic nici dacă ar avea la dispoziție un timp infinit. „Computerele digitale pot computa doar pe digital tape, constând într-o serie de 0 și 1, care sunt prea vagi pentru a descrie undele delicate ale electronilor dansând adânc înăuntrul unei molecule. De exemplu, atunci când calculează obositor căile luate de un maus in a maze, un computer digital are de analizat chinuitor fiecare cale posibilă, una după alta. Un computer cuantic, analizează simultan toate căile posibile în același timp, cu o viteză apropiată de cea a luminii” (Quantum Supremacy. How Quantum Computers Will unlock the Mysteries of Science – and Address Humanity,s Biggest Challenges, Penguin, 2024, p. 4). Computerul cuantic captează posibilul și complexitatea ca nici un alt computer.

Pentru a înțelege mai precis computerul cuantic, merită să-i luăm în seamă istoria. Ea începe cu întâlnirea computerului digital cu mecanica cuantică a anilor douăzeci, așa cum ne-au transmit-o Max Planck, Schrödinger, Heisenberg, Dirac și alții. Spre anii șaptezeci, fizicienii au început să aplice rezultate ale mecanicii cuantice la problemele computației și au trecut de la bit la qubit. I se atribuie lui Paul Benioff (1980), prima aplicare la un computer obișnuit și trecerea la quantum Turing machine. Yuri Manin și Richard Feynman au arătat, fiecare pe cont propriu, că s-ar putea construi un hardware pe baza mecanicii cuantice, care ar avea performanțe net superioare computerului existent. Charles Bennet și Gilles Brassard (1984) au dovedit că aplicând legile mecanicii cuantice se asigură o mai bună securitate a informațiilor în criptografie. Alții au dovedit că sunt posibili algoritmi pe baze cuantice, adică recurgând la valori noi (trei în loc de două), ce rezolvă mai bine ceea ce se petrece într-o „cutie neagră (black box)”.
Cotitura spre computerele cuantice a realizat-o cel mai clar Richard Feynman, cu conferința There,s Plenty of Room at the Bottom (1959), prin cel puțin trei idei: a) natura este organizată nu conform fizicii clasice, ci conform mecanicii cuantice, încât simularea nu poate fi decât cuantică – de pildă, nu putem simula clasic o moleculă; dar simularea naturii pe baze cuantice ne va permite să tratăm maladii prin introducerea de corpusculi în organism; într-o bună zi, vor fi supermicroscoape ce ne vor reda atomii (ceea ce s-a petrecut deja în 1981); b) se pot descoperi materiale care au proprietăți de conductibilitate ce le fac capabile să asigure o enormă putere computațională; c) mecanica cuantică se poate reformula ca principiu „al minimei (least) acțiuni” care permite ca particulele subatomice să „adulmece (snuff-off)” toate posibilele rute (paths) și să le însumeze, iar această reformulare se face din perspectiva abordării integrale a „rutelor” (p. 69).

Dar a fost nevoie de pași efectivi pentru a construi computerul cuantic. Cum ne spune mai departe Michio Kaku, primul pas a fost făcut de David Deutsch, care a pus problema aplicării legilor mecanicii cuantice la o „mașină Turing” și a elaborat ecuațiile necesare, cu algoritmul respectiv. Totodată, a înlocuit bitul cu qubitul și a aplicat operația numită „superposition”, înțeleasă drept capacitate de a fi în două stări distincte în același timp. Iar întrucât toți qubiții sunt „încurcați (entangled)”, ceea ce se petrece cu un qubit îi influențează pe ceilalți. În această situație, se aplică o încheiere a calcului de natura unui „colaps al undei„ încât qubiții lasă să apară o colecție de 0 și 1. „Așa cum izolând esența felului în care qubiții sunt manipulați, Deutsch a ajutat la standardizarea lucrului în computerele cuantice” (p. 71). Prin „colapsul” unei unde, mișcarea qubiților este adusă pe terenul macroscopic pe care suntem.

Un computer cuantic își reprezintă mai mulți qubiți și folosește în acest scop valori de ordine ridicate – de pildă 2 la puterea 100 – și descrieri matriciale. El recurge la numeroase „porți (gates)” organizate conform unei logici aparte, ce poate fi descrisă cu o matrice multiplicată. Computația cuantică este tocmai operarea într-o rețea formată din qubiți conform unei logici adecvate. Computerul constă, din acest punct de vedere, dintr-un ansamblu de circuite organizate conform mecanicii cuantice și logicii acesteia, cu „porți (gates)” și măsurători specifice.

În 1998, s-a putut atesta că este fezabil un computer cu capacitate mai mare de calcul recurgând la qubiți. In 2019, două companii, Google AI și NASA, au anunțat că au construit computere cuantice. În 2023, IBM a anunțat că un computer cuantic rezolvă mai bine problemele fizicii decât un supercomputer obișnuit. În anii douăzeci, din secolul actual, se dovedește că, în generarea de energie din diferite materiale, computerul cuantic este mult superior. În criptografie, nu numai că un computer cuantic poate decripta codurile de azi, dar poate și încifra, încât siguranța codurilor să crească mult.

Cu o bună stăpânire a computației din perspectiva fizicii, Michio Kaku amintește multe dintre rezultatele aparte ale aplicării computerelor cuantice. De pildă, lămurirea originii vieții și reorganizarea biologiei și a biotehnologiilor pe baze cuantice; reînverzirea planetei prin lămurirea fotosintezei; rezolvarea problemei hranei; asigurarea cu noi surse de energie; revoluționarea medicamentelor; tratarea cancerului și a altor boli; dezvoltarea imunologiei și a noi perspective asupra vieții.
Deocamdată, în jur de un trilion de dolari s-au investit în pregătirea computerelor cuantice, iar în multe industrii se așteaptă deja mari raționalizări prin aceste computere.

În industria medicamentelor, simularea proceselor chimice și biologice va fi facilitată și preluată de computere mai performante. Lângă Geneva, un computer vrea să dezlege misterul primelor ore ale universului cunoscut, operând cu coliziunea unui miliard de particule pe secundă, care generează un trilion de bytes, dar, cu computere cuantice mai performante, misterul se va dezlega.
Un ins înarmat cu un computer cuantic poate pătrunde în orice computer digital, oricât de securizat, de pe planetă. Orice secret devine accesibil hackerilor. Piața bitcoin nu mai poate păstra secretele.

Legea lui Moore, potrivit căreia puterea computerelor se dublează la fiecare optsprezece luni, este complet depășită, căci „computerele cuantice sunt în mod inerent mult mai puternice decât computerele digitale deoarece dublează numărul de interacțiuni de fiecare dată când se adaugă un nou qubit” (p. 12-13). Va putea fi dezlegat miracolul fotosintezei. Finanțele unei companii vor putea fi examinate fără rest, ca întreg.

Chestiunea energiei va putea fi rezolvată dincolo de alternativele actuale – energie pe carbon sau energie solară, ambele prea scumpe – prin identificarea de noi modele de combinații chimice, începând cu materiale noi, precum litiumul, și aplicând computere cuantice capabile să abordeze combinații mai complexe. Se va putea genera a doua Green Revolution descoperind noi fertilizatori – de pildă convertirea luminii în așa ceva.

În medicină, efectele medicamentelor vor putea fi analizate mai rapid și mai complex ca oricând după ce vor putea fi găsite cauzele complexe ale unor maladii grave descifrându-le la nivel molecular. Se vor putea face reconstituiri istorice la care nici nu se putea visa plecând de la vestigii fragmentare ale trecutului, folosind computerele cuantice.

Care va fi relația „inteligenței artificiale” cu computerele cuantice? Niciunul dintre aceste domenii nu-și mai este suficient sieși. „Inteligența artificială” folosește simularea rețelelelor neuronale ale creierului uman pentru algoritmi tot mai perfecționați, dar nu oferă computere pentru orice scop. Computerele cuantice aduc, cu algoritmii lor, capacitate fără precedent de a aborda complexitatea, cu o viteză incomparabilă cu cea a computerelor digitale, dar nu are capacitate comparabilă de a învăța din propriile erori. Este clar, așadar, că cele două domenii ale cunoașterii și tehnologiei din zilele noastre au nevoie de apropiere. „Un computer cuantic echipat cu rețele neuronale va fi în stare să-și amelioreze calculațiile cu fiecare iterație, încât poate rezolva probleme mai repede și mai eficient găsind noi soluții. Similar, sistemele inteligenței artificiale pot fi echipate pentru a învăța din propriile erori, dar capacitatea lor de calculare totală ar putea fi prea mică pentru a rezolva probleme complexe. Astfel, o inteligență artificială susținută de puterea calculațională cuantică ar putea aborda probleme mult mai dificile” (p. 181). Calculatoarele cu baze științifice diferite vor putea înainta astfel pe calea apropierii de felul de operare al neuronilor umani, iar performanța lor în abordarea complexității va putea fi ameliorată continuu. (Din volumul Andrei Marga, Inteligența artificială și condiția umană, în curs de apariție)