ZER DA KONPUTAZIO KUANTIKOA?

"Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no la entiendes."

(Richard Feynman)

Adimen Artifiziala, Errealitate Birtuala, Big Data eta Ziberespazioaren garaian, Konputazio Kuantikoa indarrez aurkezten zaigu, logika klasikoaren arau zorrotzei jarraitu beharrean, kalkulu izugarri azkarrak egiteko lege kuantikoak baliatzen dituzten ordenagailuak irudikatzera gonbidatzen gaituena. Baina, zer da Konputazio Kuantikoa? Zertan oinarritzen da? Ba al dago ordenagailu kuantikorik? Funtsionaten dute?

Dakigunez, ordenagailu klasikoek "bitekin" funtzionatzen dute, eta bi posizio har ditzakete: bat/zero edo egiazkoa/faltsua edo piztua/itzalia edo bi balio hartzen dituen beste edozein kontzeptu. Elektrizitatea pasatzen uzten duen edo ez duen etengailu batekin inplementatu daiteke, edo piztuta edo itzalita egon daitekeen argi batekin, edo erretako edo erre gabeko puntu bat izan dezakeen CD edo DVD batekin, argia islatzea ahalbidetzen duen ala ez.

Horregatik, entzuna izango duzun bezala, bitarra ordenagailuek erabiltzen duten zenbakizko sistema da, eta biten bi egoera posible horiek (1 edo 0) konbinatuta, informazioa biltegiratzea eta oinarrizko eragiketak egitea lortzen da, entzun al duzu inoiz AND, OR, NOT...? Bada, ordenagailu klasikoek bitekin lan egiten dute, oso azkar eta zehatz, ezagutzen ditugun lanak egiteko ehunka mila ate logikoren (AND, OR, NOT...) sarrerak eta irteerak elkarri lotuz.

Badakigu ordenagailu klasikoek 1 edo 0 balioa har dezaketen bitekin lan egiten dutela, eta bitekin milaka oinarrizko eragiketa azkar konbinatuz oso lan konplexuak egitea lortzen dutela.

Badakigu ordenagailu klasikoek 1 edo 0 balioa har dezaketen bitekin lan egiten dutela, eta bitekin milaka oinarrizko eragiketa azkar konbinatuz oso lan konplexuak egitea lortzen dutela. Ordenagailu kuantiko batek "qubit-ekin" lan egiten du, hau da, 0 balioa, 1 balioa edo bi balioen proportzio bat aldi berean izan dezaketen elementuekin, 0 izateko probabilitate zehatz batekin eta 1 izateko beste probabilitate batekin; horrek ordenagailu informatikoekiko konputazio-potentzia esponentzialki handitzea eragiten du. Qubit-en ezaugarri hau gainjartze izeneko fisika kuantikoaren printzipio bati zor zaio.

Ordenagailu klasikoek AND, OR, NOT ate logikoekin lan egiten duten bezala, ordenagailu kuantikoek qubitekin lan egiten dute ate kuantikoen bidez, hala nola Hadamarden atea, Pauliren ateak eta CNOT atea, beste askoren artean.

Agian qubit baten balio posibleak "Bloch-en esfera" baten bidez irudikatu dituzu, non ipar poloa 0 balioari dagokion, hego poloa 1 balioari dagokion eta gainerako egoera posibleak esferaren azaleran zehar irudikatuta geratzen diren.

Lehen aipatutako gainjartze-printzipioaz gain, funtsezko diren qubiten beste bi ezaugarri daude, elkarlotzeari eta Heisenbergen ziurgabetasun-printzipioari buruzkoa; "Sakonduz" erlaitzean hiru kontzeptu horiei buruzko informazio gehiago aurki dezakezu.

KONPUTAZIO KUANTIKOAREN APLIKAZIOAK

1. arazoa: imajinatu ordenagailu batek zenbaki bat bikoitia edo bakoitia den adierazi behar digula:

  • 42 zenbakia ematen badiogu, azken digitua 0 den ala ez egiazta dezakezu; gure kasuan 2 dela ikusten du eta 42 zenbakia 10en multiploa ez dela esango digu.
  • Zenbaki handiago bat adierazten badizugu, adibidez, 12324890ak ez du denbora gehiago beharko, eragiketa bera egin behar baitu: azken digitua 0 den egiaztatu. Eta 87648235427354235423754 zenbakia adierazten badizugu, denbora bera beharko duzu erantzun zuzena emateko.

Kasu honetan, argi dago konputazio kuantikoak ez dakarrela ordenagailu klasiko batek ebatzi ezin duen ezer.

2. arazoa: Imajinatu ordenagailu batek, zenbaki jakin baterako, zein zenbakiren bidez zatigarria den adierazi behar digula:

  • 42 zenbakia ematen badiogu, hasieran 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17... zenbakiekin zatigarria den ikusi beharko luke, eta horrela zenbaki lehenekin probatu beharko luke 42 zenbakira iritsi arte. Hainbat eragiketa egingo lituzke eta oso denbora gutxi beharko genuke; guri berehala erantzuten duela irudituko litzaiguke.
  • Baina 12324890 zenbakia ematen badizugu, ziurrenik denbora gehiago beharko dugu erantzuna emateko.
  • 8764823542735423423754876482354237648235427354235423754 zenbakia adierazten badizugu, ordenagailua lanean geratzen dela eta ez digula erantzungo ikusiko dugu.

Ordenagailu kuantiko bat gai izango litzateke adibide hau ebazteko; izan ere, esan dugun bezala, ordenagailu kuantikoek Qubit-ekin lan egiten dute, eta horri esker, soluzioek ez dute zertan polinomikoak izan eta beste algoritmo mota batzuk aplika daitezke.

Bai erabiltzaile baten Interneteko datu pertsonalak, baita enpresa eta gobernuen isilpeko dokumentuak, guztiek jasan dezake eraso informatiko bat. Hori dela eta, informazio hori enkriptazio-sistemek babesten dute, hala nola RSA asimetrikoek, zeinen gakoa bi zenbaki lehen oso luzeren emaitza baita. Badirudi, makina aurreratuenek edo ordenagailu kuantiko berriek, eboluzionatu ahala, minutu gutxi batzuetan gako horiek ebazteko gaitasun handia izango dutela, Interneteko oinarrietakoa den RSA segurtasun-sistema guztia deuseztatuz.


QKD (Quantum Key Distribution) mekanika kuantikoaren propietateek babestutako gako kriptografikoak banatzeko teknika bat da. Gakoa osatzen duten bitak fotoi polarizatuen bidez transmititzen dira; eta intertzeptatuz gero (esnifatuz gero) egoera berehala hautemango da, mundu kuantikoan ezin baita behatu aztarnarik utzi gabe.

1984an C. Bennettek eta G. Brassardek lehenengo metodoa asmatu zuten, BB84 bataiatua, eta ondoren beste protokolo batzuk aurkeztu dira, hala nola E91, A. Ekert ikertzaileak 1991n proposatua, bi partikula (quantum entanglement) eta beste askoren arteko "elkarlotze" edo "korapilatze kuantikoan" oinarritua.

Agian, PQC Post-Quantum Cryptography (kriptografia post-kuantikoa) edo Quantum-Safe Cryptography (konputazio kuantikoarekiko erresistentea den kriptografia) delakoari buruz hitz egiten entzun duzu; konputazio kuantikoari aurre egiten dioten metodo kriptografikoak lortzeko gaur egun egiten diren ahaleginak dira.

Simulazio molekular zehatzak:
Konputazio kuantikoarekin, molekula konplexuen egitura eta portaera zehaztasunez simulatzea espero da, eta horrek material, sendagai eta katalizatzaile kimiko berrien diseinua bizkortu dezake.

Farmako pertsonalizatuen garapena:
Interakzio molekularrak doitasunez modelatzeko gaitasunak pazienteen banakako genetikan oinarritutako farmako pertsonalizatuak diseinatzea ahalbidetuko luke. Horrek tratamenduen eraginkortasuna hobetu eta albo-ondorioak murriztu ditzake.

Sistema biologiko konplexuak ulertzea:
Biologia sistemikoak sistema biologikoen zatiak nola elkarreragiten eta arautzen diren ulertzea du helburu.

Kriptoanalisi kuantikoa:
Biologia Konputazionala: Algoritmo kuantikoek bilaketa-problemak modu eraginkorrean ebazteko aplikazioak izan ditzakete datu biologikoen multzo handietan, eta horrek informazio genetikoaren ulermena hobetu eta patroi biologikoen identifikazioa bizkortu lezake.

Konputazio kuantikoak ere badu finantza-sektoreari modu esanguratsuan eragiteko ahalmena, arazo konplexuei modu eraginkorragoan aurre egiten baitie. Finantzetan izan daitezkeen aplikazio-arlo batzuk honako hauek izan daitezke:

Portafolioak optimizatzea, finantza-inbertsioetan arriskuen eta errendimenduen kudeaketa hobetzeko.

Segurtasun kriptografikoa, finantza-transakzioen segurtasunean eta datu sentikorren babesean eragina izan dezakeena.

Bloke-kateak optimizatzea (Blockchain), funtsezkoa kriptomonetak ustiatzeko.

Aukeren eta deribatuen balorazioa, konputazio kuantikoak aldi bereko kalkulu ugari egiteko duen ahalmenaz balia daitezkeenak.

Datu Multzo Handien azterketa denbora errealean, metodo klasikoen bidez identifikatzea zaila edo ezinezkoa litzatekeen ereduak eta joerak aurkitzeko.

Konputazio kuantikoak ikaskuntza automatikoaren eremua eraldatzeko ahalmena du, metodo eta gaitasun konputazional berritzaileak eskaintzen baititu. Hauek dira ikaskuntza automatikoan aplika daitezkeen aplikazio-arlo batzuk:

Ikaskuntza automatikoko eta gainbegiratu gabeko ikaskuntzako ereduak optimizatzea:
Algoritmo kuantikoek, Groverren algoritmoak adibidez, soluzio optimoaren bilaketa bizkortu dezakete, ereduen entrenamenduaren eraginkortasuna hobetuz.
Era berean, ikaskuntza automatikoko ereduetan ezegonkortasun- eta sendotasun-arazoei aurre egiten lagun dezake.

Ikasketa automatikorako berariazko algoritmo kuantikoak garatzea:
Ikaskuntza automatikoko arazoei aurre egiteko berariaz diseinatutako algoritmo kuantikoak aztertzen ari dira. Adibidez, HHL (Harrow-Hassidim-Lloyd) algoritmo kuantikoa ekuazio linealak ebazteko proposatu da, ikaskuntza automatikoko aplikazio askotan funtsezko eragiketa.

Sare neuronal kuantikoen garapena:
Espero da sare horiek propietate kuantikoak aprobetxatuko dituztela kalkulu eraginkorragoak egiteko, bereziki zeregin konplexuetan, hala nola patroiak ezagutzeko eta egituratu gabeko informazioa prozesatzeko.

KONPUTAGAILU KUANTIKOEN USTIAPENA ETA ERABILERA

Garapen teorikoa oso aurreratuta dagoen arren, ez da erraza konputazio kuantikoaren boterea aprobetxatzea, inplementatzea lortu diren sistema kuantikoak oso sentikorrak baitira ingurumen-faktoreekiko, eta horrek akatsak izateko joera ematen die. Konputazio kuantikoaren aurrerapenak funtsezko bi gairi egin behar die aurre:

  • Algoritmo kuantikorik eza
  • Dekoherentzia, elkarrekin lotutako egoera kuantiko batean dagoen sistema bat mantentzeko beharrezko baldintzak desagertzen direnean gertatzen dena.

 

Konputazio kuantikoaren inplementazio arrakastatsuak hainbat erronka tekniko eta praktiko ditu aurrez aurre. Jarraian, arazo nagusietako batzuk zerrendatuko ditugu:

• Zarata
Egonkortasun kuantikoa denboran zehar mantentzea eta qubiten gaineko kontrol zehatza lortzea erronka erabakigarriak dira. Tenperatura-fluktuazioak, kanpoko eremu elektromagnetikoak eta inguruneko zarata bezalako faktoreek egoera kuantikoen manipulazioan eragin dezakete.

• Egoera kuantikoen iraupena
Qubitek beren egoera kuantikoak mantendu behar dituzte eragiketa konputazionalak egiteko behar adina denboran. Denbora hau, koherentzia-denbora bezala ezagutzen dena, sistema kuantiko baten errendimenduaren neurri kritiko bat da. Kalitate handiagoko qubit-ak inplementatzea da kontua.

• Muturreko operazioaren baldintzak
Sistema kuantiko askok muturreko eragiketa-baldintzak behar dituzte, hala nola zero absolututik gertuko tenperaturak edo eremu magnetiko biziak. Honek eskala handiko hardware kuantikoaren eraikuntza eta eragiketa zailtzen du.

• Akats kuantikoen zuzenketa
Algoritmoak eta akats kuantikoak zuzentzeko teknika eraginkorrak garatzea funtsezkoa da. Qubitek ingurunearekin elkarreragiten duten heinean, erroreen zuzenketa osagai kritiko bihurtzen da kalkulu kuantikoen zehaztasuna bermatzeko.

• Eskalagarritasuna
Eskala handiko sistema kuantikoak eraikitzea erronka esanguratsua da. Koherentzia kuantikoa mantendu egin behar da qubiten kopurua handitzen den heinean, eta qubiten arteko konexioa modu eraginkorrean mantendu behar da kalkulu konplexuak egiteko.

• Elkarlotze kuantikoa
Urrutiko qubit-ak lotzeko gaitasuna funtsezkoa da komunikazio kuantikoa eta teleportazio kuantikoa bezalako aplikazioetarako. Interkonexio kuantikoko metodo eraginkorrak garatzea ikerketa-arlo aktiboa da.

• Software kuantikoaren garapena
Hardware erronkez gain, algoritmo kuantiko eraginkorrak garatzea eta softwarea sortzea.

 

MILA ESKER ZURE IRITZIA EMATEAGATIK !

MINUTU BAT baino ez da izango,  sakatu mesedez botoia zure Feedbak emateko

 

Feedbak
linkedin facebook pinterest youtube rss twitter instagram facebook-blank rss-blank linkedin-blank pinterest youtube twitter instagram