Informatikaren 50 urte 50 teknologiatan/Konputazio kuantikoa

Konputazio kuantikoa informazioaren prozesamendua ahalbidetzen duen konputazio eredu bat da, fenomeno kuantikoak erabiliz, eta horrek informazioa manipulatzeko moduak zabaltzen ditu eredu klasikoan parekorik ez duen moduan.

Eredu berri honen potentziala bere gutxieneko informazio-unitatean dago: "qubit" (quantum bit" hitzaren laburdura). "Bit" klasikoak bezala, bi egoera posible ditu, $|0⟩$ eta $|1⟩$, baina bere izaera kuantikoari esker, bien konbinazio batean ere aurkitu daiteke, gain-posizioan dagoen egoera batean:

$|\psi ⟩=\alpha |0⟩+\beta |1⟩$

Bloch esfera baten irudikapena. Poloek oinarrizko $|0⟩$ eta $|1⟩$ egoerak adierazten dituzte; esferaren gainerako edozein puntuk gain-posizio bat irudikatzen du, \alpha eta \beta anplitudeen bidez definitua. Iturria: Wikimedia Commons (domeinu publikoa).

non $\alpha$ eta $\beta$ baitira egoera bakoitzaren probabilitate-anplitudeak, zenbaki konplexutan kodetuak, non $|\alpha {|}^2+|{\beta }^2|=1$. Ideia hau bera hainbat qubiteko erregistroetara hedatu daiteke: $n$ qubiteko erregistro bat $2^n$ egoera posibleen gainezarpen batean egon daiteke, bakoitza bere anplitudearekin (adibidez, bi qubitentzat, $|\psi ⟩={\alpha }_{00}|00⟩+{\alpha }_{01}|01⟩+{\alpha }_{10}|10⟩+{\alpha }_{11}|11⟩$, $n$ biteko erregistro klasikoaren aurrean, zeina aldi berean $2^n$ egoera horietako batean bakarrik egon baitaiteke. Egoera kopuru esponentziala aldi berean irudikatzeko eta manipulatzeko gaitasun honi paralelismo kuantiko deritzo, eta konputazio kuantikoaren abantaila teoriko nagusia da eredu klasikoaren aldean. Gainera, qubit-ek beraien artean korapilatuta gera daitezke: haien egoerak lotuta geratzen dira, eta ezin dira bereiz deskribatu; baliabide hori, gainezarpenarekin batera, funtsezkoa da konputazioan eta komunikazio kuantikoan.

Egoera horiek manipulatzea ahalbidetzen duten eragiketei ate kuantiko deritze, eta erregistro batean kateatzean algoritmoak exekutatzeko erabiltzen diren zirkuituak eraikitzen dira. Abantaila hori, ordea, ez da dirudien bezain zuzena. "Bit" klasiko bat ez da aldatzen bere egoeraren behaketagatik, baina gain-posizioan dagoen "qubit" bat (edo erregistro bat) ezin da modu berean "irakurri": neurtzean, bere egoera posibleetako bat kolapsatzen du, ausaz aukeratua bere anplitudeei lotutako probabilitateen arabera, eta gainerako informazio guztia desagertu egiten da. Horregatik, ordenagailu kuantiko batek aldi berean egoera asko azter baditzake ere, kontuz diseinatu behar dira algoritmoak, informazio garrantzitsua kontzentratuta gera dadin bukaeran neurtzean ikusten den emaitzan.

Algoritmo garrantsitzuak

Ikusi denez, paralelismo kuantikoa ustiatzeko, tentuz diseinatu behar dira algoritmoak, informazio garrantzitsua kontzentratuta gera dadin neurtzean lortzen den emaitzan, kasu klasikoaren aldean abantaila bat lortuz. Hauek dira algoritmo garrantzitsuenetako batzuk:

Deutsch-Jozsa

Lehenengo algoritmo kuantikoetako bat izan zen, eta eredu klasikoarekiko abantaila bat modu argian erakutsi zuen lehenengoa, nahiz eta erabilgarritasun praktiko txikiko problema bat ebatzi zuen.

QFT (Fourier kuantikoaren transformatua)

Ez du problema bat bere kabuz ebazten, baizik eta beste algoritmo batzuen barruan, Shorren algoritmoan adibidez, pieza giltzarri gisa jokatzen du, egoera kuantiko batean dauden aldizkako patroi ezkutuak detektatzea ahalbidetuz.

QPE (Fase kuantikoaren zenbatespena)

Beste algoritmo batzuen azpirrutina gisa ere funtzionatzen du. Eragiketa kuantiko bati lotutako balio bat zehaztasunez zenbatesteko balio du. Balio hori erabilgarria da bai Shorren algoritmoan, bai sistema kuantikoen simulazioan.

Shor

Bere ospea, ezagutzen den edozein algoritmo klasikok baino askoz azkarrago zenbaki handiak faktorizatzen dituelako da, honek gaur egungo kriptografia (RSA bezala) kolokan jartzen du eta kriptografia post-kuantikoaren garapena bultzatu du.

Grover

$N$ elementuko zerrenda desordenatu batean elementu bat bilatzeko problema ebazten du, eta urrats kopurua gehienez ere $\sqrt{N}$ izango da, algoritmo klasiko batek batez beste beharko lituzkeen $\frac{N}{2}$en aldean.

Gaur egungo hardwarea

Orain arte modu abstraktuan hitz egin da qubiteez eta ateez, fisikoki nola inplementatzen diren zehaztu gabe. Ordenagailu kuantiko bat eraikitzeko, qubit gisa jokatzeko gai den sistema fisiko jakin bat aukeratu behar da, eta, eremuaren azken garapena dela eta, hainbat proposamen daude:

IBM Quantum System One. Egituraren zati handiena hozte-sistema kriogenikoa da, txipa gutxieneko zero absolutuaren inguruko tenperaturan mantentzeko; qubit-txip kuantikoa oso txikia da eta behealdean dago. Autor: OJB Quantum. Lizentzia: CC BY 4.0.

Zirkuitu supereroaleak

Qubita korrontean edo karga elektrikoan kodetzen dute, zero absolutu inguruko tenperaturetan hoztutako zirkuituetan. Gaur egun qubit erabilgarri gehien dituen teknologia da.

Ioi harrapatuak

Atomo ionizatuak eta eremu elektromagnetikoekin harrapatuta daudenak, horien energia-mailek qubit gisa jokatzen dute; doitasun-laserrekin kontrolatzen dira.

Fotonika kuantikoa

Banakako fotoiak erabiltzen ditu, adibidez qubitak; giro-tenperaturan funtzionatzen du, eta egokia da informazioa urrutitik transmititzeko.

Atomo neutroak

Harrapatutako ioien antzekoa, baina kargarik gabeko atomoekin, fokalizatutako laserren bidez harrapatuta.

Spin-puntu kuantikoak

Elektroiaren spina erdieroaleetan aprobetxatzen dute, industrian lehendik dauden fabrikazio-teknikak berrerabili ahal izatearen abantailarekin.

Qubit topologikoak

Proposamen esperimental honek materiaren propietate topologikoei buruzko informazioa kodetzen du, teorian zaratarekiko askoz erresistenteagoa dena.

Testu ebakia: Zarata kuantikoa

Aurreko azalpen guztiak qubitak eta ateak perfektuak direla suposatu du, baina, praktikan, oso sistema delikatuak dira, eta zaratarekiko oso sentikorrak; hori dela eta, zaila da nahi ez diren aldaketak eragin gabe lan egitea, edo, are gehiago, konputatzeko behar den denboran egoera kuantikoari eustea.

Bere jatorri nagusia de-koherentzia da: qubit bat ez dago inoiz erabat isolatuta, eta bere inguruarekin kontrolatu gabeko edozein interakziok (bibrazioak, hondar-eremuak, beroa...) nahi gabeko neurketa gisa jokatzen du, bere gainjartzea galaraziz. Horri beste errore-iturri batzuk gehitu behar zaizkio, hala nola ateek ezartzen dituzten pultsu fisikoen inperfekzioak edo qubitaren azken neurketan bertan dauden akatsak. Algoritmo batek zenbat eta ate eta qubit gehiago erabili, eta zenbat eta gehiago irauten duen, orduan eta gehiago metatuko dira errore horiek, eta horrek mugatu egiten du gaur egun modu fidagarrian exekutatu daitekeenaren konplexutasuna. Qubit gutxiko eta akats-zuzenketarik gabeko etapa horri NISQ konputazio aroa deritzo (Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing).

Zaratari aurre egiteko bi estrategia daude:

1. Errore kuantikoen zuzenketa: Qubit logiko bat kodetzen du, bere informazioa qubit fisiko erredundante batzuen artean banatuz, eta erroreak detektatzeko eta zuzentzeko aukera ematen du, informazio kuantikoa suntsitu gabe. Ikuspegirik sendoena da, baina gaur egun baino askoz qubit gehiago behar ditu.

1. Akatsak arintzea: Hainbat aldiz errepikatzen du kalkulu bera baldintza desberdinetan, eta teknika estatistikoak erabiltzen ditu zaratak emaitzan duen eragina konpentsatzeko, hainbeste hardwareren beharrik gabe.