Calcolo quantistico

I computer si sono infiltrati in quasi tutti i campi dell'economia e della scienza e continuano a diventare sempre più veloci. Tuttavia, i ricercatori incontrano regolarmente problemi impossibili da risolvere anche per i supercomputer più potenti. Il rimedio potrebbero essere i computer quantistici, che utilizzerebbero le fantastiche proprietà della meccanica quantistica per risolvere tali problemi in pochi secondi anziché secoli. Dagli anni '80, i fisici dei laboratori accademici e di aziende come IBM, Hewlett-Packard e NEC hanno perseguito una varietà di approcci di calcolo quantistico, ma nessuno sembra in grado di fornire una macchina funzionante in meno di 10 anni.

Società: Sistemi D-Wave

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2005

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Sede centrale: Vancouver, Colombia britannica

Importo investito: $ 22 milioni canadesi (circa $ 17,5 milioni negli Stati Uniti)

Investitore principale: Draper Fisher Jurvetson

Fondatori chiave: Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Tecnologia: Computer quantistici

La startup di Vancouver D-Wave Systems, tuttavia, mira a costruire un computer quantistico entro tre anni. Non sarà un computer quantistico completamente funzionante del tipo a lungo immaginato; ma D-Wave è sulla buona strada per produrre un hardware quantistico rumoroso per scopi speciali che potrebbe risolvere molti dei problemi di simulazione fisica che ostacolano i computer di oggi, afferma David Meyer, un matematico che lavora su algoritmi quantistici presso l'Università della California, San Diego.

La differenza tra il sistema D-Wave e altri progetti di computer quantistici sta nelle particolari proprietà della meccanica quantistica che sfruttano. Altri sistemi si basano su una proprietà chiamata entanglement, che afferma che due particelle qualsiasi che hanno interagito in passato, anche se ora separate spazialmente, possono ancora influenzare gli stati dell'altra. Ma questa interdipendenza viene facilmente interrotta dalle interazioni delle particelle con il loro ambiente. Al contrario, il design di D-Wave sfrutta la proprietà molto più robusta della fisica quantistica nota come tunneling quantistico, che consente alle particelle di saltare magicamente da una posizione all'altra.

Costituita nell'aprile 1999, D-Wave è nata come una serie di conversazioni tra studenti e docenti presso l'Università della British Columbia. Nel corso degli anni, ha accumulato proprietà intellettuale e ha ristretto la sua attenzione, attirando al contempo quasi 18 milioni di dollari di finanziamenti, inizialmente da angel investor e, più recentemente, dai governi canadese e tedesco e da società di venture capital. L'azienda prevede di completare un dispositivo prototipo entro la fine del 2006; una versione in grado di risolvere i problemi commerciali potrebbe essere pronta entro il 2008, afferma il presidente e CEO Geordie Rose.

L'aggressività del calendario di D-Wave è resa possibile dalla semplicità del design del suo dispositivo: un chip analogico fatto di superconduttori a bassa temperatura. Il chip deve essere raffreddato a -269 °C con elio liquido, ma non richiede i delicati laser all'avanguardia, le pompe per vuoto e altri macchinari esotici di cui hanno bisogno altri computer quantistici.

Il design è anche suscettibile alle tecniche di litografia utilizzate per realizzare chip per computer standard, semplificando ulteriormente la fabbricazione. D-Wave modella una serie di circuiti di superconduttori a bassa temperatura come alluminio e niobio su un chip. Quando l'elettricità li attraversa, i circuiti si comportano come minuscoli magneti. Due magneti da frigorifero si capovolgono naturalmente in modo che si attacchino, riducendo al minimo l'energia tra di loro. I loop nel chip di D-Wave si comportano in modo simile, invertendo la direzione del flusso di corrente da orario a antiorario per ridurre al minimo il flusso magnetico tra di loro. A seconda del problema che si intende affrontare, il chip è programmato in modo che la corrente scorra attraverso ciascun circuito in una particolare direzione. I loop poi si capovolgono spontaneamente fino a raggiungere uno stato energetico stabile, che rappresenta la soluzione al problema.

Il primo computer di D-Wave non sarà in grado di ottenere il profitto più ampiamente propagandato dell'informatica quantistica: fattorizzare i numeri estremamente grandi al centro dei moderni sistemi crittografici esponenzialmente più velocemente di qualsiasi computer conosciuto. Sarà, tuttavia, l'ideale per risolvere problemi come il famigerato problema del commesso viaggiatore, in cui un venditore cerca il percorso ottimale tra le città. Man mano che la loro complessità cresce, tali problemi diventano rapidamente intrattabili per i computer tradizionali perché richiedono l'analisi di ogni possibile risposta. Alla ricerca del proprio stato energetico ottimale, il chip di D-Wave esegue esattamente questo tipo di calcolo automaticamente, in pochi secondi. Le applicazioni, alcune del valore di miliardi di dollari, includono l'ottimizzazione di elementi così vari come i percorsi dei camion, i portafogli finanziari e persino i layout dei chip dei computer tradizionali. Il collaboratore di D-Wave Oliver Downs afferma che il chip di D-Wave dovrebbe eccellere anche nella modellazione di altri sistemi quantistici, come le interazioni molecolari che caratterizzano i nanomateriali o i farmaci.

Sebbene più robusti dei tipici computer quantistici, i sistemi di D-Wave saranno comunque delicati. Quindi l'azienda intende vendere soluzioni piuttosto che computer, afferma Rose. Un cliente eseguirà un programma per risolvere un determinato problema sui propri computer. Quando il programma incontra la parte irrisolvibile del problema, chiamerà in remoto il computer di D-Wave per eseguire una subroutine. Per molte applicazioni specializzate, tale hardware dedicato ha il potenziale per essere superiore anche al software più intelligente in esecuzione su un computer generico, afferma Meyer di UCSD.

E mentre molti approcci al calcolo quantistico si sono scontrati con i limiti dei laser e di altre apparecchiature, Downs ritiene che i primi risultati sperimentali di D-Wave indichino che il suo chip è in linea con i tempi. Sebbene Meyer affermi di non poter valutare se l'azienda rispetterà le scadenze autoimposte, crede che riuscirà a costruire una macchina in grado di risolvere esattamente il tipo di problemi che prevede. Hanno impiegato sia ottimi sperimentatori che alcuni teorici piuttosto seri, dice. Questo è certamente il modo di affrontare questo tipo di problema per farlo accadere in tempi non accademici.

Società:
Sistemi D-Wave

Sede centrale:
Vancouver, Colombia britannica

Importo investito:
$ 22 milioni canadesi (circa $ 17,5 milioni negli Stati Uniti)

Investitore principale:
Draper Fisher Jurvetson

Fondatori chiave:
Geordie Rose, Alexandre Zagoskin, Bob Wiens, Haig Farris

Tecnologia:
Computer quantistici

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