CHANGE.WORLD: Călătorii în lumea cuantică

Despre mecanica cuantică unii dintre noi își amintesc mai mult sau mai puțin vag din ultimele lecții de fizică din liceu. Fiind vorba despre o disciplină relativ nouă, apărută în prima parte a secolului 20 și bazată pe o matematică depășind cu mult ceea ce era predat în scoală, trecerea acesteia în revistă era destul de succintă. În ultimii ani, am început să auzim despre calculul cuantic. Am menționat această tehnologie și în articole precedente ale rubricii CHANGE.WORLD și voi dezvolta subiectul în viitor, pe măsură ce această ramura a tehnicii de calcul va deveni mai ‘fierbinte’. Ne aflăm deocamdată în etapa în care cercetătorii și experții IT concurează cu autorii de literatură și filme de anticipație în ceea ce privește prelucrarea și promovarea noțiunilor legate de cuantică. În articolul de astăzi, voi trece deci pe scurt în revistă stadiul cercetării științifice și proiectele tehnologice cele mai importante din domeniu, și voi discuta unul dintre filmele lansate în ciudatul an 2020, care pleacă de la calculul cuantic pentru a explora universul science-fiction.

De ce este nevoie de calcul cuantic? Tehnicile de calcul moderne se dezvoltă deja într-un ritm exponențial. Aplicații și probleme ale căror soluții erau posibile acum un deceniu doar utilizând super-calculatoare sunt acum executate de telefoanele noastre ‘inteligente’ sau de calculatoarele personale cele mai performante. Și totuși există probleme care nu vor putea fi rezolvate și aplicații care știm deja că nu vor putea fi executate niciodată prin intermediul tehnologiilor existente. Unde se află limita expansiunii capacităților de calcul, așa cum le cunoaștem astăzi? În primul rând, în logica binară folosită de toate sistemele de calcul concepute până acum. Întreg universul IT al lumii și aplicațiile sale se descompune până la urma în combinații și operații cu 0 și 1. Pentru a descrie un procentaj în întregi avem nevoie de opt astfel de stări. Pentru a cobori la precizii mai avansate trebuie să multiplicam cu ordine de mărime, iar soluția, oricât de multe stări binare am folosi, va fi tot aproximativă, deci incompletă. Exista însă o stare în natură care este și la limita miniaturizării (structura atomică) și are și proprietăți ne-binare. Calculatoarele cuantice folosesc fenomenele suprapunerii și combinărilor din mecanica cuantică pentru a crea stări nebinare care se extind exponențial cu numărul de qubiți sau biți cuantici. Qubitul este unitatea de bază a informațiilor cuantice – versiunea cuantică a bitului binar clasic. Două exemple din mecanica cuantică: rotirea electronului în care cele două niveluri pot fi luate ca rotire în sus și rotire în jos; sau polarizarea unui singur foton în care cele două stări pot fi luate ca polarizare verticală și polarizare orizontală. Într-un sistem clasic binar, realizat fizic cu un dispozitiv cu două stări, un bit ar trebui să fie într-o stare sau alta. Mecanica cuantică permite qubitului să se afle într-o suprapunere coerentă a ambelor stări simultan, o proprietate care este fundamentală pentru mecanica cuantică și calculul cuantic.

Nu toate problemele pot fi rezolvate folosind calculul cuantic, și dacă soluții există, ele nu sunt optimale din punctul de vedere al resurselor de calcul și al memoriei. Unele afirmații făcute prin 2017 de Google privind superioritatea sistemelor cuantice s-au dovedit a fi eronate, bazându-se pe teste (benchmark) concepute greșit. Acolo însă unde calculul cuantic se potrivește, avantajele sunt spectaculoase. Aplicațiile posibile includ chimia cuantică și studiul structurii moleculelor complexe, criptografia (atacuri cibernetice și metode de protecție), predicții legate de interacțiunile dintre medicamente și pacienți în industria farmaceutică, simulări și generare de date pentru mașini cu auto-învățare (machine learning). Puterea de calcul depinde însă de numărul de qubits care poate fi realizat fizic, și aici se poate aprecia că tehnologia se află în faze incipiente, deși sunt deja implicate firme cu renume cum sunt IBM, Intel, Google sau Fujitsu. Trebuie înțeles faptul că implementările qubits folosesc fenomene cuantice diverse și acesta este un domeniu de cercetare activă în care nu există soluții mature. Diferite computere cuantice utilizează diferite implementări qubit. Câteva dintre exemplele sistemelor cele mai complexe aflate în dezvoltare folosesc tehnologii de implementare bazate pe supraconductivitate, capcane de ioni, matrice optice, magneți moleculari. Nu fiți intimidați dacă unii sau toți acești termeni vă sunt străini, este vorba despre domenii de frontieră ale fizicii și a ingineriilor derivate.

Știința inspiră literatura și cinematografia de anticipație și de multe ori interacțiunea acționează și invers, așa cum se poate observa din istoria unor ramuri ale științei și tehnicii cum este robotica. Începe să se petreacă un fenomen similar și în ceea ce privește domeniul calculului și calculatoarelor cuantice. Desigur, imaginația artiștilor nu este supusă limitelor logicii științifice și ale realizabilității practice a ideilor, așa încât imaginația poate da rezultate diferite de realitățile prezentului sau ale viitorului. Uneori tehnologia este doar un pretext sau un punct de plecare pentru a dezbate alte probleme, unele acute, dar nu neapărat în legătură cu respectiva ramură științifică. Este cazul filmului ‘Lapsis’, scris și regizat de Noah Hutton, unul dintre acele filme ale cărui drum spre spectatori a fost deviat de pandemia COVID-19. Premiera era planificată la un festival programat pentru martie 2020 care a fost amânat în ultimul moment. Ca urmare, prima întâlnire cu publicul a avut loc cu câteva luni mai târziu, la Festivalul de Filme Fantastice de la Bucheon, din Coreea de Sud, urmată de proiecția la festivalul nord-american Fantasia și de distribuirea streaming. Autorul filmului este născut în 1987 și este fiul actorilor Thomas Hutton și Debra Winger. ‘Lapsis’ este al doilea său film de ficțiune de lung metraj, primul se numea ‘Mosaic’ și aparținea tot genului anticipației. Foarte interesant este și un alt film din cinematografia sa care are titlul ‘In Silico’, un documentar de lung metraj la care Hutton a lucrat zece ani, având ca erou un specialist în neurologie care și-a propus simularea creierului omenesc cu ajutorul super-computerelor. Nu am văzut încă acest documentar care a avut premiera doar în noiembrie 2020, dar primele reacții pe care le-am citit sunt și ele entuziaste.

‘Lapsis’ se petrece într-un viitor apropiat sau poate că este vorba despre un viitor alternativ. În lumea în care se petrece filmul, calculatoarele cuantice au fost introduse pe scară largă, și cine nu are un asemenea calculator sau nu a devenit destul de priceput în manevrarea sa se află cam în aceeași situație cu cei care astăzi nu au telefoane ‘inteligente’ și acces la Internet. De exemplu, mesajele de la primărie ajung la cetățeni doar prin rețeaua cuantică. Este vorba desigur despre o licență pe care scenaristul Noah Hutton și-o permite legată de stadiul real al dezvoltării tehnologiei, căci așa cum am văzut, nu orice aplicație se potrivește calculului cuantic și înlocuirea calculatoarelor binare generice cu calculatoare cuantice nu este realistă, cel puțin în prezentul nostru. Pentru generalizarea rețelei cuantice, în lumea imaginată de Hutton, trebuie instalată o rețea de imense noduri de comunicații, cuburi gigantice, între care trebuie trase cabluri. Am descris într-unul dintre articolele mai vechi ale rubricii topologia ‘mesh’ în care cât mai multe noduri de comunicații sunt legate cu toate celelalte – în film, avem de-a face cu un ‘mesh’ uriaș, realizat peste mediul natural, inclusiv păduri. Realizarea acestor cablaje este făcută în film de lucrători temporari, angajați ai marilor companii de cablaj (opt la număr în lumea lui ‘Lapsis’) care sunt plătiți generos după numărul de trasee executate. Eroul filmului, Ray (jucat de actorul Dean Imperial), are motivele sale personale pentru a se angaja în aceasta activitate – un frate bolnav de o boală cronică, pentru tratamentul căreia într-o clinică particulară trebuie plătite sume exorbitante. Concurența este acerbă, nu numai între cablatori, dar și între aceștia și roboții care în principiu ar trebui să-i ajute în zonele dificile, dar care în realitate preiau uneori activitățile operatorilor umani și le anulează efortul și remunerațiile condiționate de finalizarea traseelor. Ceea ce începe ca o activitate de sfârșit de săptămână, care combină drumețiile în natură cu un profit material aparent ușor de realizat, devine pe măsură ce povestea se dezvoltă o competiție acerbă și fără menajamente între lucrători și propriile lor capacități fizice, și mai ales între lucrători și roboti.

Scenariul inteligent scris de Noah Hutton abordează câteva subiecte critice ale dezvoltării tehnologice. Oricât de abstracte și de sofisticate ar fi aplicațiile unei noi ramuri științifice, ele au totdeauna la bază o infrastructură fizică, reprezentată în ‘Lapsis’ de imensele cuburi și de cablajul care le interconectează. Alta temă: noile stadii de dezvoltare a tehnologiilor de comunicații vor lăsa întotdeauna în urmă un procentaj din populație, este ceea ce i se întâmplă lui Ray, eroul filmului. În fine, metoda folosită de corporațiile cablajului este similară cu cea a ramurilor economice care fac parte din așa numita ‘gig economy’, în care locurile de muncă temporare și flexibile sunt norma și companiile tind să angajeze antreprenori independenți și freelanceri, în loc de angajați cu normă întreagă. Este ceea ce se întâmplă în viața reala cu șoferii lui Uber sau cu tinerii care transportă comenzi la domiciliu, dar și cu alte activități mai speciale sau mai sofisticate, de la gătit până la consultanțe de tot felul. Câștigurile sunt rapide, programele sunt flexibile, dar asigurările și programele de pensii rămân în responsabilitatea salariatului și nu există rețeaua de protecție socială. În ‘Lapsis’ avem desigur de-a face cu o formă extremă și competitivă, dar metafora este clară. Și mai evidentă este tema concurenței roboților care îl va determina pe eroul filmului să recurgă la acțiuni care amintesc revoltele contra mașinilor ale mișcării luddiste din a doua jumătate a secolului 18 și din prima jumătate a secolului 19.

‘Lapsis’, una dintre primele experiențe cinematografice ale anului 2021 pentru mine, pleacă de la o temă clasică de science-fiction și reușește să lărgească cercul de probleme abordând câteva aspecte critice ale confruntării cu explozia de tehnologie pe care o trăim. Este un film bun, un film neliniștitor, care își merită vizionarea și discuțiile pe care aceasta o generează.

(Articolul a apărut iniţial in revista culturală ‘Literatura de Azi’ – http://literaturadeazi.ro/)