O echipă de ingineri din Elveţia a creat un cip cuantic care stochează informaţii prin vibraţii mecanice

Oamenii de ştiinţă, ingineri şi fizicieni din întreaga lume sunt într-o competiţie mai intensă ca oricând de creare a cipurilor tot mai performante. Despre aceste evoluţii am scris mult în ultimele lui, iar pe filiera cipurilor obişnuite şi China încearcă să evite limitările şi restricţiile pe care le are în achiziţia de cipuri performante şi utilaje de producţie a lor, dar şi europenii au devenit mult mai activi în ultimul an, în încercarea de a-şi recăpăta in decalaj în avansul pe care-l au şi de a-şi securiza producţia locală a cipurilor. IBM a dezvăluit de curând, spre exemplu, unul din cele mai avansate cipuri, care va defini standardele pentru următorii 5-10 ani, el fiind conceput integral în Europa şi SUA. Dar pe lângă cipurile obişnuite digitale, mai există o filieră paralelă a cipurilor şi computerelor cuantice, care deschid o cu totul altă scară de procesare, abordând diferit modul în care are loc procesarea informaţiei. Ei bine, acum o echipă de ingineri din Elveţia, de la ETH Zurich, a creat un cip cuantic, care schimbă din nou paradigma şi stochează informaţii prin vibraţii mecanice.

Foto: Profesoara ETH Zurich, Yiwen Chu, conducătoarea echipei de ingineri

Şi cipurile obişnuite necesită explicaţii complexe, profunde, făcute pas cu pas, pentru a înţelege cum funcţionează, dar cele cuantice sunt de un grad de complexitate care de câteva ori mai mare. Noi am explicat întreg firul logic a cum funcţionează un cip obişnuit şi apoi unul cuantic în articolul de acum o săptămână, în care vorbeam despre realizarea unei alte echipe de ingineri din Europa, de la Quantum Motion, care a creat un nou cip cuantum cu un consum de energie de 1.000 ori mai mic. Prin urmare, celor care au ratat acel articol, îl recomandăm ca un pas iniţial de a înţelege mai bine lumea acestor cipuri cuantice.

Deşi e o ţară mică, Elveţia investeşte enorm de mult în ştiinţă şi cercetare, pentru că de acolo vin progresele sale cele mai valoroase pentru ţară şi competitivitate globală. Spre exemplu, Elveţia are un supercomputer numit Alps, integrat într-un centru de date de enorm din munţii Alpi, cu o putere de procesare enormă, pe care-l actualizează la nivel hardware o dată la câţiva ani pentru a-l menţine printre cele mai puternice din lume. Iar accesul la puterea de procesare a acestui computer le este oferit universităţilor şi echipelor de cercetare din ţară, care obţin acces astfel la infrastructură extrem de scumpă, dar şi performantă, care să le accelereze inovaţiile. Uneori, inovaţia poate veni doar în urma testării şi simulării a milioane de sau miliarde de combinaţii posibile, iar atunci e nevoie de putere imensă de procesare.

Foto: Sală din intreriorul supercomputerului Alps

Tot Elveţia a lansat anul trecut şi un model propriu de inteligenţă artificială, focusat mai ales pe factologie şi cercetare ştiinţifică, doar pentru a avea un instrument propriu, suveran, pus la îndemâna oamenilor de ştiinţă din ţară, care să poată miza pe el ca pe o unealtă ce dă prioritate corectitudinii ştiinţifice a deducţiilor.

Şi iată că acum o echipă de cercetători de la universitatea ETH Zurich, condusă de fiziciana Yiwen Chu, a creat o nouă arhitectură de cip cuantic, despre care vorbim azi. Dacă la cipurile obişnuite, electricitatea e informaţia, prin modul în care ea circulă, la cipurile cuantice probabilitate stărilor cuantice reprezintă informaţia, iar aceste stări trebuie citite. Doar că, dacă la un cip clasic informaţia e formată dintr-un caracter determinat clar de 0 sau 1, de lipsă sau prezenţă a curentului, la cipurile cuantice un electron poate avea poziţii diferite în acelaşi timp şi e nevoie de citiri repetate pentru a calcula starea cel mai frecvent identificată, pentru a deduce valoarea informaţiei. Deci, se operează cu probabilităţi, şi tocmai de asta cipurile cuantice generează o rată de erori, cu care inginerii încă luptă. Toate aceste operaţiuni se centrează în qubiţi logici la cipurile cuantice, iar aceştia sunt atât de sensibili, încât au nevoie de eliminarea rezistenţei pentru a nu fi alterat curentul electric care ajunge la ei şi nu denatura astfel informaţia. Asta face ca aceste cipuri să opereze într-un mediu criogenic, care să facă posibilă supraconductivitatea lor.

Când toate aceste condiţii sunt întrunite, însă, viteze de procesare ating parametri enormi. Miliardele de probabilităţi posibile, pe care un procesor obişnuit le-ar analiza într-un timp prea îndelungat pentru a mai fi rezonabil, pot fi procesate ultrarapid cu computerele cuantice, iar de aici şi vine atractivitatea enormă a acetora. Acestea nu sunt automat mai bune şi mai rapide decât cipurile clasice în toate aplicaţiile, dar în unele domenii pot face o diferenţă uriaşă, de milioane sau miliarde de ori mai rapide. Tocmai de aici şi interesul atât de mare pentru ele.

Dar aceste computere cuantice sunt construcţii complexe, foarte mari din cauza că fiecare qubit logic are nevoie de multiple cabluri separate, inclusiv pentru senzorii de citire a rezultatelor. Inginerii de la ETH Zurich, despre care vorbim azi, au creat o abordare hibridă care stochează informaţii pe bază de vibraţii, însă.

Principiul folosit la bază e cel de rezonator mecanic, iar inginerii fac o analogie cu chitarele electrice, care au un pick-up alături de strune, iar acel pick-up transformă vibraţiile mecanice ale strunelor în impulsuri electrice, care, transpuse în intervalul corect de frecvenţe într-un amplificator de sunet, dar şi sunetul final.

În mod similar, şi noul cip comunică prin vibraţii, dar într-un cu totul alt diapazon insesizabil pentru simţurile umane. În arhitectura cipului există un qubit supraconductor, care ia rolul de procesor principal, în timp ce informaţia care urmează a fi procesată e stocată temporar în memorie cuantică, fiind accesibilă pe toată durata procesului de procesare. Aceste stocări reprezintă un soi de memorie operativă cu acces imediat a cipului, iar stocarea are loc prin vibraţii, iar aici vin marile deosebiri şi marele beneficiu al noii arhitecturi.

Într-un cip cuantic actual, într-un qubit supraconductor erorile pot apărea mai ales din cauza denaturării în timp a curentului electric iniţial, sub acţiunea a diverşi factori, iar dacă informaţia e păstrată prea mult în aşteptare, ea poate dispărea. Prin stocarea informaţiei operative prin vibraţii mecanice, ea devine aproape imună la denaturare într-un timp rezonabil şi cât timp e stocată acolo, ea nu suferă transformări, prin urmare se minimizează riscul erorilor.

Foto: Echipa de ingineri care a realizat noua elaborare

Tot acest timp despre care vorbim e foarte scurt, dar în lumea cuantică totul se întâmplă foarte rapid. Noua elaborare permite efectiv translarea informaţiilor cuantice în vibraţii cuantice, transpuse într-un alt element sub formă de cristal din cip. Acest cristal e cel care păstrează vibraţiile, după care are loc translarea inversă spre transmonul procesor supraconductor.

Toată această formulă complexă de operare nu măreşte viteza globală de procesare a cipului cuantic, ba chiar pe alocuri o poate încetini. Dar reduce considerabil şansa erorilor din probabilităţile citite, întrucât „conservă” mult mai fidel starea iniţială a informaţiei de la momentul când a ajuns în cip până la momentul când a fost procesată. Sau, mai corect în limbaj tehnic ar fi să spunem că se păstrează coerenţa stării cuantice. Mai rămân erorile de probabilitate ce pot surveni în afara timpului de stocare, inclusiv a transferul informaţiei sau procesarea ei, dar, reducând timpul când aceste erori sunt generate, se reduce şi marja finală de eroare.

Un alt avantaj al noului sistem e că prin vibraţii se poate stoca mult mai multă informaţie aferentă procesării cuantice. Până acum, aceste stocări se făceau prin memorie electromagnetică, iar pentru a asigura capacităţi de stocare în capacităţi necesare, acestea ocupau un anumit volum mare. Stocarea prin vibraţii reduce considerabil volumul ocupat.

Inginerii au şi produs un cip de arhitectură nouă, pe care l-au folosit în experimente şi teste de durabilitate, demonstrând viabilitatea ideii. Şi ceea ce s-a putut demonstra a confirmat deja beneficiul imens al acestei metode pentru a putea avansa mai repede spre computere cuantum mai compacte şi mai capabile. Dar inginerii mai spun că mai e nevoie de timp pentru a lărgi spectrul de teste şi a face perfecţionări, înainte ca noua arhitectură de cip cuantic să poată ajunge la o eventuală implementare în computere cuantice funcţionale, de serie.

Asta arată, însă, şi anvergura lucrurilor care pot fi făcute într-o universitate, în Elveţia. Nu se scriu teze de doctor pe jumătate plagiate, nu se fac programe de cercetare de dragul bifelor. Se fac cercetări şi elaborări în domeniile hi-tech în care lumea reală are cea mai strânsă competiţie, de care depinde dominaţia tehnologică a unei ţări sau alteia. În Elveţia ETH Zurich e cea mai generos finanţată universitate şi ea obţine în mod regulat locuri de top în lume în inginerie, fiind plasată constant pe primul loc în Europa.