În ultimele cinci decenii procesoarele standard ale computerelor au devenit din ce în ce mai rapide. În ultimii ani, totuși, limitele actualei tehnologii au devenit limpezi: cipurile nu pot deveni tot mai multe tranzistoare în acelaşi spaţiu la infinit. Dacă vrem să construim calculatoare tot mai rapide, ceva va trebui să se schimbe.
O speranță pentru viitorul computerelor din ce în ce mai rapide vine din domeniul fizicii cuantice. Computerele cuantice e de așteptat să fie mult mai rapide decât orice a fost creat în era informaţiei până acum. Dar cercetări recente au arătat că şi computerele cuantice vor avea limite proprii - și am sugerat modalități de a înțelege care sunt limitele.
Limitele înțelegerii
Pentru fizicieni, noi oamenii trăim în ceea ce se numește lumea "clasică". Cei mai mulți oameni înțeleg fizica intuitiv: dacă arunci o minge, ea va merge în sus, iar apoi în jos, pe o traiectorie previzibilă.
Chiar și în situații mai complexe, oamenii tind să aibă o înțelegere a modului în care lucrurile funcționează. Majoritatea oamenilor înțeleg în mare măsură că o mașină funcționează prin arderea benzinei într-un motor cu combustie internă (sau extragerea energiei stocate de la o baterie), pentru a produce energie care este transferată prin intermediul unor mecanisme către anvelopele care permit mişcarea maşinii.
În conformitate cu legile fizicii clasice, există limite teoretice ale acestor procese. Dar ele sunt nerealist de mari: de exemplu, știm că o mașină nu poate merge mai repede decât viteza luminii. Și indiferent cât de mult combustibil este pe planetă sau cât de mult carosabil sau cât de puternice sunt metodele de construcție, nicio mașină nu va ajunge aproape de a merge chiar și cu 10% din viteza luminii.
Oamenii nu se confruntă cu adevărat cu limitele fizice reale ale lumii, dar ele există, iar prin cercetări adecvate, fizicienii le pot identifica.
Până de curând, totuși, oamenii de știință aveau o idee destul de vagă că fizica cuantică are și ea limite, dar nu știau cum să-și dea seama privind modul în care acestea pot fi aplicate în lumea reală.
Incertitudinea lui Heisenberg
Fizicienii au identificat originile teoriei cuantice în 1927, când fizicianul german Werner Heisenberg a arătat că metodele clasice nu funcționează pentru obiecte foarte mici, de dimensiunea atomilor.
Când cineva aruncă o minge, de exemplu, este ușor să determini exact unde este mingea și cât de repede se mișcă. Dar, după cum a arătat Heisenberg, acest lucru nu este valabil pentru atomi și particule subatomice. În schimb, un observator poate afla ori unde este, ori cât de repede se mișcă - dar nu ambele în același timp. Aceasta este o constatare inconfortabilă: chiar din momentul în care Heisenberg și-a explicat ideea, Albert Einstein (printre alţii) a fost nemulţumit. Este important să ne dăm seama că această "incertitudine cuantică" nu este un neajuns al echipamentelor de măsurare, ci reflectă modul în care funcționează creierul nostru. Am evoluat pentru a fi atât de obișnuiți cu modul în care funcționează "lumea clasică", încât adevăratele mecanisme ale "lumii cuantice" sunt pur și simplu dincolo de capacitatea noastră de a le înțelege pe deplin.
Lumea cuantică
Dacă un obiect din lumea cuantică călătorește dintr-un loc în altul, cercetătorii nu pot măsura exact când a plecat și când va ajunge. Limitele fizicii impun o mică întârziere în detectarea acestor momente. Deci, indiferent cât de repede are loc mișcarea, nu va fi detectată decât puțin mai târziu. Duratele în acest caz sunt incredibil de mici - vorbim de miliardimi de secundă - care implică triliarde de calcule.
Această întârziere încetinește efectiv viteza potențială a unui calcul cuantic - impune ceea ce numim "limita vitezei cuantice".
În ultimii ani, studiile, la care grupul meu a contribuit în mod semnificativ, au arătat modul în care această limită a vitezei cuantice este determinată în condiții diferite, cum ar fi utilizarea diferitelor tipuri de materiale în câmpuri magnetice și electrice diferite. Pentru fiecare dintre aceste situații, limita vitezei cuantice este puțin mai mare sau puțin mai mică.
Spre marea surpriză a tuturor, am constatat chiar că, uneori, factori neașteptaţi pot ajuta la accelerarea lucrurilor, uneori în moduri contra-intuitive.
Pentru a înțelege această situație, s-ar putea să fie util să ne imaginăm o particulă care se mișcă prin apă: particula dislocă moleculele de apă în timp ce se mișcă. Și după ce particulele s-au deplasat, moleculele de apă se mişcă rapid înapoi, lăsând nicio urmă cu privire la trecerea particulei.
Acum imaginați-vă că aceeași particulă se deplasează prin miere. Mierea are o viscozitate mai mare decât apa - este mai groasă și curge mai lent - astfel încât particulele de miere au nevoie de mai mult timp pentru a se muta înapoi după ce particulele trec. Dar în lumea cuantică, fluxul de miere care se întoarce poate genera o presiune care propulsează particula cuantică înainte. Această accelerație suplimentară poate determina o limită a vitezei particulelor cuantice diferită de ceea ce ar putea aștepta un observator.
Proiectarea calculatoarelor cuantice
Pe măsură ce cercetătorii înțeleg mai multe despre această limită a vitezei cuantice, aceasta va afecta modul în care vor fi proiectate procesoarele pentru computerele cuantice. La fel cum inginerii și-au dat seama cum să micşoreze mărimea tranzistorilor și să-i aşeze mai compact pe un cip clasic, vor avea nevoie de inovație inteligentă pentru a construi cele mai rapide sisteme cuantice, operând cât mai aproape de limita maximă de viteză.
Sunt multe de explorat pentru cercetători. Nu este clar dacă limita vitezei cuantice este atât de ridicată, încât este imposibil de atins; ca și mașina care niciodată nu se va apropia de viteza luminii. Și nu înțelegem complet cum elementele neașteptate din mediul înconjurător - cum ar fi mierea din exemplu, în exemplul de mai sus - pot contribui la accelerarea proceselor cuantice.
Pe măsură ce tehnologiile bazate pe fizica cuantică devin tot mai frecvente, va trebui să aflăm mai multe despre limitele fizicii cuantice și despre cum să construim sisteme care să profite cât mai mult de ceea ce știm.
Traducere şi adaptare după Quantum speed limit
