Virgil Băran, specialist în mecanică cuantică: ”Realitatea învinge sau bate chiar SF-ul”

Emisiunea: "Apel matinal" - Realizator: Cătălin Cîrnu

Marile companii din domeniul tehnologiei de calcul anunţă că sunt tot mai aproape de un moment revoluţionar în dezvoltarea calculatoarelor şi cipurilor cuantice. Microsoft, de exemplu, anunţă că noul său cip va putea echipa calculatoarele cuantice în doar câţiva ani. Asta după ce anul trecut Google a dezvăluit propriul cip cuantic şi a susţinut că aplicaţiile comerciale ale computerelor cuantice vor apărea în următorii ani. O informaţie similară vine şi de la IBM, care estimează apariţia pe piaţă a primelor computere cuantice până în 2033. Calculatoarele cuantice sunt capabile să efectueze accelerat calcule care altfel ar dura mulţi, mulţi ani, chiar sute de mii ori milioane, folosind tehnologia actuală. Este un subiect poate uşor tehnic, dar ne aflăm în pragul unei descoperiri senzaţionale. Tocmai de aceea încercăm să aflăm detalii de la invitatul "Apelului matinal", un expert, profesor universitar doctor Virgil Băran, specializat în mecanica cuantică, de la Departamentul de Fizică Teoretică şi director al Consiliului pentru Studii Universitare de Doctorat din Universitatea Bucureşti. Bună dimineaţa!

Bună dimineaţa şi vă mulţumesc pentru invitaţie!

Noi vă mulţumim că aţi acceptat. Evident, e un domeniu pentru cunoscători. Mecanica cuantică, acum, amintindu-mi aşa, de anii şcolii, este teoria mişcării particulelor materiale la scara, la scara atomică. Dar aminteam de un calculator cuantic. Cum funcţionează? Ce avantaje ar avea şi poate chiar vulnerabilităţi?

Da, deci, într-adevăr, odată cu apariţia mecanicii cuantice - şi profit de oportunitatea aceasta, pentru a vă reaminti că anul 2025 a fost declarat de către Organizaţia Naţiunilor Unite "Anul internaţional al mecanicii cuantice şi al tehnologiilor cuantice" - este pe cale să producă, cu toate că, de-a lungul acestui secol, au fost mai multe revoluţii tehnologice în care a fost implicată mecanica cuantică, însă, de data aceasta vorbim despre o revoluţie în domeniul calculatoarelor cuantice şi al calculului cuantic. De fapt, marele avantaj al acestor dispozitive bazate pe principiile mecanicii cuantice, se leagă de unicitatea proprietăţilor sistemelor la nivel cuantic. Şi aici orice calculator cuantic se bazează practic pe patru mari proprietăţi, pe care numai microparticulele la nivel cuantic le pot manifesta. Într-un fel, dacă vreţi, realitatea învinge sau bate chiar SF-ul, dacă le putem descrie în detaliu, aşa cum facem noi cu studenţii noştri la Facultatea de Fizică din Bucureşti şi unde de doi ani funcţionează chiar şi un laborator de quantum information şi comunicare cuantică, deci informaţie şi comunicare cuantică şi unde studenţii pot să vadă explicit cu anumite dispozitive cum se manifestă aceste fenomene cuantice. E vorba, în primul rând, de super-poziţia stărilor care stă la baza generării acestor qubiţi capabili să conţină mult mai multă informaţie. Dacă vreţi, super-poziţia e atât de contraintuitivă pentru că e similară cu situaţia în care ar trebui să vă imaginaţi un obiect că se roteşte şi la dreapta şi la stânga în acelaşi timp.

Da, îmi amintesc de...

Ceea ce este foarte contraintuitiv. Pe de altă parte, există şi entanglementul, de asemenea, care e folosit în aceste dispozitive cuantice şi anume o corelaţie la distanţă, care nu se bazează pe o interacţie, ci pur şi simplu pe natura cuantică a sistemelor. Nu în ultimul rând, totuşi trebuie menţionat că aceste proprietăţi cuantice sunt foarte sensibile şi necesită un cadru şi un mediu foarte special, cu temperaturi scăzute, pentru că zgomotul termic şi cu alte origini poate să distrugă această coerenţă care este necesară la nivelul calculului cuantic.

Da. Îmi amintesc de procesorul cuantic al celor de la Google, parcă Willow se numea.

Da.

Cel care obţinuse pentru prima oară în lume rezultate sub prag după acel jalon stabilit de Peter Shore. Asta în 1995. Aminteaţi de qubiţi logici? Adevărat, mulţi dintre cei care ne ascultă n-au făcut algebră superioară sau, în fine, nu sunt savanţi. Tocmai de aceea, haideţi să descifrăm exact ce am putea face cu un astfel de calculator cuantic?

Păi, în primul rând, trebuie spus că numărul de operaţii pe care le poate efectua un calculator cuantic este mult, mult mai mare, mă refer la numărul de operaţii pe secundă, şi o descriere realistă a multor sisteme, inclusiv în zona biologiei sau în zona chimiei, necesită o putere de calcul de acest nivel. Spre exemplu, dacă calculatoarele clasice ne putem imagina să descriem cât de cât exact dinamica a zece electroni într-o moleculă, cu super computerele actuale poate 20, cu calculatoarele cuantice care sunt proiectate în viitor se pot face simulări realistice pentru sute de astfel de electroni într-o moleculă. Cu alte cuvinte, putem avea o descriere mult mai exactă a proteinelor, cu implicaţii în medicină, în biologie sau în tehnologia materialelor... Da, vă rog.

Nu, nu, nu, dumneavoastră. Vă ascult. Eu sunt absorbit de lecţii.

Pe de altă parte - şi aici este revoluţia cu care vine Microsoft. Zgomotul, în general, este un fenomen care împiedică o dezvoltare rapidă a domeniului calculului cuantic. Orice zgomot poate să distrugă stabilitatea, structura acestor qubiţi, care, repet, pot să înmagazineze mult mai multă informaţie decât biţii obişnuiţi. Şi aici este marele avantaj în a crea un calcul care permite operarea cu o cantitate de informaţie într-un timp realist mult mai mare. Ori ceea ce a făcut Microsoft acum a fost să demonstreze că este posibil crearea unui qubit protejat împotriva acestui noise. Deci, de aici denumirea de topologic al qubit. Cu alte cuvinte, nu orice zgomot va putea distruge această configuraţie de qubit topologic, creată pe baza unui anumit fenomen fizic. De aici denumirea de Majorana 1, pentru că Majorana a fost primul fizician, în 1938, care a propus existenţa unor astfel de stări sau particule. Iniţial, în fizica stării condensate sunt stări cu nişte caracteristici foarte particulare, care le fac stabile la zgomotul extern. Cu alte cuvinte, aceasta ar face calculatoarele cuantice mult mai rezistente la aceste efecte de tipul zgomotului.

Aminteaţi de întâlnirile, de orele petrecute cu elevii dumneavoastră, cu studenţii. Acum, gândindu-ne la tot peisajul informatic din România, ce rol credeţi că poate juca ţara noastră, prin specialişti, evident, în acest domeniu şi poate chiar Europa, că aminteam, totuşi, de marile companii americane?

Cu siguranţă, şcoala românească poate să instituie programe de studiu urmând modelele altor ţări în care mecanica cuantică să fie o componentă în educaţia lor. Aş vrea să vă vorbesc un minut despre aşa-numita strategie naţională a Statelor Unite pentru ştiinţele din domeniul informaţiei cuantice. Şi, printre altele, în acest program elaborat de Departamentul de Stat al SUA se vorbeşte elaborat în 2018, se vorbeşte despre încurajarea industriei şi academiei, pentru a forma o forţă de muncă capabilă să facă faţă provocărilor contra intuitive venite din mecanica cuantică. Ei sugerează ca arii din ştiinţa, din mecanica cuantică să fie implementate inclusiv la nivelul şcolii medii şi liceului.

Da, ar fi incredibil, dar, domnule profesor, finanţare există în România pentru acest domeniu de cercetare la nivel naţional? Ce spun colegii de la alte universităţi?

Costurile pentru aplicaţiile practice şi construirea concretă sunt enorme. Gândiţi-vă că în aceste programe pe care le-au iniţiat în Statele Unite firme de talia Microsoft sau IBM, se vorbeşte despre bugete de ordinul a 1.000 de miliarde de dolari. În România, totuşi, mecanica cuantică este, în primul rând, un domeniu teoretic care are nevoie de aplicaţii, deci şi investiţii în zona practică, dar cred că dacă formăm specialişti care să ştie să opereze cu mecanica cuantică, se vor adapta şi în acest domeniu, care devin din ce în ce mai disciplinar, pentru că a construi un calculator cuantic implică, în primul rând, într-adevăr fundamente de fizică cuantică, dar implică expertiză în domeniul /.../, în domeniul calculatoarelor, în domeniul tehnologiei materialelor. Cu alte cuvinte, devine din ce în ce mai mult o zonă interdisciplinară, ca de altfel şi alte zone în ştiinţa modernă.

Da, e clar, e nevoie de bani. 1.000 de miliarde de dolari a fost profitul tuturor băncilor americane în 2023, dar la nivelul şcolii româneşti, nu ştiu. Aveţi relaţii sau sunteţi în legătură şi cu alte universităţi, fie ele europene sau americane?

Universitatea din Bucureşti împreună cu Universitatea Politehnică, Universitatea Naţională de Ştiinţă şi Tehnologie, cu alte universităţi din ţară sunt parte a unor consorţii dedicate în acest moment în derulare, proiecte în derulare, a unor consorţii care au ca scop şi menire implementarea unor reţele de comunicare cuantică. Au început să apară laboratoare moderne pe această zonă, cum v-am menţionat şi pe cel de la Facultatea de Fizică. Conducerea Universităţii din Bucureşti, inclusiv la nivel de doctorat, este interesată în a promova aceste domenii de frontieră, care sunt până la urmă prin specialiştii lor, prin specialiştii formaţi şi o formă de legătură cu marile puteri în domeniul ştiinţei.

Mulţi cercetători savanţi spun că a fost creată o nouă stare a materiei. Sunteţi de acord?

Deci, aşa cum vă spuneam, aceste stări topologice, aceste faze topologice în fizica teoretică se discută de foarte mulţi ani, începând cu articolul de pionerat al lui Majorana, dar în fizica stării condensate, în ultimele două sau trei decenii s-au făcut progrese foarte mari în descrierea acestor stări topologice. Sunt noi stări ale materii, descrise teoretic de foarte multă vreme. Problema este că în ultimul timp progresul care se face este în a materializa explicit cu un demonstrator ca aceste stări există şi pot fi folosite.

Corect. Da, m-aş bucura să mă primiţi la o lecţie sau la un curs, ori poate la un experiment. Cu mulţumiri pentru că ne-aţi descifrat la matinal.

Sunteţi invitaţi oricând la Facultatea de Fizică şi în special la acest laborator de quantum information, care este complementar cu cursul unde, cu foarte multă matematică, mecanica cuantică este predată studenţilor noştri din anii II şi III şi care continuă după aceea la masterat, cu domenii mai avansate în care mecanica cuantică este limbajul, chiar dacă îi putem /spune/ şi o limbă străină, dar este limbajul cu care operează fizicienii în ziua de astăzi.

Cu mulţumiri pentru prezenţa alături de noi, pe frecvenţele Radio România Actualităţi. Invitatul de vineri al "Apelului matinal", profesor universitar doctor Virgil Băran, specializat în mecanica cuantică, de la Departamentul de fizică teoretică şi director al Consiliului pentru studii universitare de doctorat din Universitatea Bucureşti./editor Florin Lepadatu/