Cavalcando D-Wave

I computer elaborano le informazioni suddividendole nei blocchi più piccoli possibili, chiamati bit. Un bit rappresenta la distinzione tra due possibilità: Vero e Falso, Sì e No, oppure, come vengono convenzionalmente rappresentati, 1 e 0.

Computer freddo: Un dispositivo noto come frigorifero a diluizione (mostrato sopra) viene utilizzato per inizializzare il computer quantistico di D Wave, portandolo al suo stato fondamentale raffreddandolo quasi allo zero assoluto.

Il punto finale della legge di Moore (che sostiene che i computer diventano più veloci di un fattore due ogni anno e mezzo circa) è un computer così potente che utilizza singoli atomi per memorizzare bit di informazioni: un atomo, un bit. Se fossimo in grado di lavorare su scala subatomica e immagazzinare bit su elettroni o quark, potremmo andare oltre. Ma atteniamoci a quello che abbiamo sapere possiamo fare.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2008

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Se gli attuali tassi di miniaturizzazione persistono, il tuo PC memorizzerà un bit su un atomo intorno al 2050. Ma è naturale chiedersi se possiamo, in effetti, ottenere una corrispondenza bit per atomo. Sorprendentemente, in laboratorio esistono già prototipi di computer che immagazzinano bit su singoli atomi. Questi computer sono chiamati computer quantistici, perché immagazzinano ed elaborano le informazioni su scale in cui le leggi della meccanica quantistica prevalgono.

La meccanica quantistica è la branca della fisica che governa ciò che accade su scale molto piccole. I suoi principi sono notoriamente strani, quindi è naturale che anche i computer quantistici dovrebbero essere strani. Un calcolatore elettronico convenzionale, in cui ogni bit registra 0 o 1, è asservito dalla logica binaria; ma un bit quantistico, o qubit, può registrare 0 e 1 contemporaneamente, un fenomeno noto come sovrapposizione. Cosa significa per un bit quantistico registrare contemporaneamente 0 e 1? La risposta esatta è che nessuno lo sa per certo. La natura controintuitiva della meccanica quantistica impedisce alla nostra mente di comprendere come si comportano i bit quantistici. Tuttavia, poiché le leggi della meccanica quantistica sono formulate con precisione, possiamo prevedere cosa faranno i computer quantistici.

E quello che fanno è notevole. Poiché un qubit può rappresentare contemporaneamente due valori diversi, due qubit possono rappresentarne contemporaneamente quattro (00, 01, 10 e 11, in notazione binaria); quattro qubit possono rappresentare 16 valori; otto qubit 256 valori; e così via. Anche un computer quantistico relativamente piccolo, uno che avesse poche decine di migliaia di qubit, potrebbe considerare così tanti valori diversi contemporaneamente da essere in grado di violare tutti i codici conosciuti comunemente usati per comunicazioni Internet sicure. I computer quantistici potrebbero anche essere utilizzati per ricerche di database più veloci o per affrontare problemi complessi che i computer classici non potrebbero risolvere con tutto il tempo nell'universo. I miei colleghi del MIT ed io costruiamo semplici computer quantistici ed eseguiamo algoritmi quantistici dal 1996, così come altri scienziati in tutto il mondo. I computer quantistici funzionano come promesso. Se possono essere scalati, a migliaia o decine di migliaia di qubit dalla loro dimensione attuale di una dozzina o giù di lì, fai attenzione!

Dato il loro potere di intercettare e interrompere comunicazioni segrete, non sorprende che i computer quantistici abbiano l'attenzione di varie agenzie governative degli Stati Uniti. La National Security Agency, che sostiene la ricerca nel campo dell'informatica quantistica, dichiara candidamente che, dato il suo interesse a mantenere sicure le comunicazioni del governo degli Stati Uniti, è riluttante a vedere costruiti computer quantistici. D'altra parte, se possono essere costruiti, allora vuole avere il primo.

Anche il calcolo quantistico ha attirato l'interesse commerciale. Agli attuali tassi di progresso, i grandi computer quantistici in grado di decifrare il codice sono lontani almeno un decennio, quindi il settore privato si sta concentrando su due tipi di calcolo quantistico più facili. Il primo tipo non banale di calcolo quantistico è stato proposto dal premio Nobel Richard Feynman nel 1981. Feynman stava studiando come simulare i processi quantistici nella fisica delle alte energie. Ha notato che i computer classici non erano bravi nel loro lavoro, per la stessa ragione per cui gli esseri umani trovano la meccanica quantistica controintuitiva: non c'è un modo semplice per nessuno dei due di rappresentare un bit che registra 0 e 1 allo stesso tempo. Feynman ha suggerito che se il computer fosse meccanico quantistico, potrebbe avere un tempo più facile occuparsi dei processi quantistici. Nel 1996, ho dimostrato che Feynman aveva ragione e ho creato algoritmi che avrebbero consentito a un computer quantistico di simulare sistemi a stato solido, chimici e ad alta energia. Un simulatore del genere richiederebbe solo un centinaio di qubit circa per essere in grado di superare tutti i supercomputer convenzionali.

Un secondo tipo di calcolo quantistico, noto come calcolo quantistico adiabatico, non è solo più facile della decrittazione del codice, ma potenzialmente molto più potente. L'informatica quantistica adiabatica è un modo particolarmente fisico di cercare di risolvere problemi complessi.

Come tutti i sistemi fisici, gli elettroni preferirebbero vivere in stati di energia più bassa rispetto a stati di energia più alta, in particolare a basse temperature. L'energia di un sistema fisico come un elettrone dipende dagli stati dei suoi vicini. Un elettrone potrebbe dire ai suoi vicini di rotazione, Per un'energia inferiore, ruotare in senso orario. Un altro elettrone potrebbe dire, per un'energia inferiore, ruotare in senso antiorario. Lo stato energetico più basso per gli elettroni rotanti come comunità è quello che riduce al minimo il numero totale di conflitti tra spin vicini. Affinché un gruppo di elettroni trovi il proprio stato di energia più basso comune, o stato fondamentale, deve trovare il modo di accordarsi su come allineare i propri spin. Allo stesso modo in cui un problema computazionale complesso può essere scomposto in bit flipping, può essere posto in termini di ricerca dello stato fondamentale di un sistema fisico adatto.

Il calcolo quantistico adiabatico tenta di rappresentare i problemi come il disturbo di un sistema quantistico, in modo che la risposta sia rappresentata dall'assunzione da parte del sistema di un nuovo stato fondamentale. Sviluppato da Eddie Farhi e Jeffrey Goldstone al MIT e Sam Gutmann alla Northeastern University, funziona inizializzando il sistema quantistico a un semplice stato fondamentale (tutti gli spin ruotano in senso orario, per esempio) e poi gradualmente, o adiabaticamente, attivando le interazioni che codificano il problema. Se questo processo di accensione è sufficientemente lento, il sistema passerà gradualmente dal suo stato iniziale semplice allo stato finale complesso.

L'aspetto più interessante del calcolo quantistico adiabatico è che nessuno sa con certezza se funziona in pratica. Può essere che per qualsiasi problema significativo, il sistema dovrebbe trasudare così lentamente che ci vorrebbe l'età dell'universo per restituire una risposta. Al contrario, può darsi che anche il problema più difficile soccomba a un computer quantistico adiabatico. Nonostante l'attenzione concertata di uno stuolo di fisici e matematici, la questione se il calcolo quantistico adiabatico funzioni rimane aperta. La maggior parte degli esperti sospetta che non possa risolvere i problemi computazionali più complessi. Ma il sospetto non è una prova.

Quando i teorici non sono d'accordo, gli sperimentali vanno avanti. Poiché il punto centrale del calcolo quantistico adiabatico è di andare lentamente piuttosto che velocemente, i computer quantistici adiabatici sono in linea di principio significativamente più facili da costruire rispetto ai computer quantistici per la rottura del codice per uso generico. Comprendendo questo punto chiave, nel 2002 il mio studente laureato Bill Kaminsky ed io abbiamo creato un progetto per un computer quantistico adiabatico basato sulla tecnologia dei superconduttori. L'anno scorso, D-Wave Systems, una startup di informatica quantistica a Burnaby, nella Columbia Britannica, ha annunciato di aver costruito un computer quantistico adiabatico basato sul nostro progetto. A quel punto le cose si sono fatte interessanti.

D-Wave è stata fondata poco meno di un decennio fa, con il preciso scopo di costruire un computer quantistico commerciale. Dopo aver giocato con l'idea di costruire un computer quantistico per fattorizzare grandi numeri, i suoi ricercatori si sono sensatamente concentrati sui compiti più semplici e ancora potenzialmente redditizi della simulazione quantistica e del calcolo quantistico adiabatico. Nel febbraio 2007, al Computer History Museum della Silicon Valley, l'azienda ha dimostrato un dispositivo a 16 qubit che, secondo lui, potrebbe risolvere problemi di ottimizzazione ragionevolmente complessi. Potrebbe anche fare i puzzle di Sudoku!

D-Wave ha raccolto circa 60 milioni di dollari in finanziamenti da venture capitalist come Draper Fisher Jurvetson. In quanto società privata, è responsabile principalmente nei confronti dei suoi investitori piuttosto che della comunità scientifica. Quindi non è stata una sorpresa che nell'annunciare il suo successo nella costruzione di un computer quantistico adiabatico, D-Wave si sia concentrato su applicazioni commerciali piuttosto che su dettagli scientifici. Mentre i venture capitalist sono rimasti colpiti dall'annuncio, offrendo all'azienda un altro round di finanziamenti, gli scienziati erano meno entusiasti. Il comunicato stampa non ha fornito specifiche del dispositivo che consentissero di valutare l'accuratezza scientifica delle sue affermazioni. Sembrava possibile che il computer stesse semplicemente trovando soluzioni raffreddandosi al suo stato fondamentale, un processo abbastanza noioso e non proprio quanto meccanico, piuttosto che eseguire la procedura adiabatica più sottile descritta sopra. Quando D-Wave ha trascurato di fornire alcuna prova concreta che il dispositivo stesse effettivamente eseguendo un calcolo quantistico, anche gli osservatori scientifici più caritatevoli presumevano semplicemente che i suoi scienziati non sapessero se lo fosse o meno. (Vedi D-Wave saltuaria) Osservatori meno caritatevoli hanno pronunciato parole che non posso riportare in questa pubblicazione. Da parte mia, ero in conflitto. Mi piacerebbe davvero sapere se il calcolo quantistico adiabatico funziona. Anche se questo approccio non può risolvere i problemi più difficili, se il sistema di D-Wave potesse eseguire una dimostrazione ben definita del calcolo quantistico adiabatico in alcuni semplici casi, sarebbe una convalida del progetto di Kaminsky e del mio. Allo stato attuale delle cose, tuttavia, D-Wave sembrava confondere il pozzo quantistico per soldi.

Lo scorso autunno le acque sono diventate più limpide. Il principale teorico di D‑Wave, Mohammad Amin, e il suo principale sperimentatore, Andrew Berkley, hanno visitato la comunità dell'informatica quantistica al MIT. Hanno discusso le questioni scientifiche con franchezza. No, hanno ammesso, non potevano provare che quello che stavano facendo era un vero calcolo quantistico adiabatico, ma sembrava che probabilmente lo fosse. Come potrebbero rispondere alla domanda in modo definitivo?

I pionieri del calcolo quantistico superconduttivo erano stati in grado di dimostrare la natura quantistica dei loro dispositivi fulminandoli con impulsi a microonde veloci e osservando le loro risposte. Ma quei dispositivi non erano adiabatici; operavano a velocità paragonabili a quelle di un computer convenzionale. Il dispositivo D-Wave, al contrario, è volutamente lento: quindi non è possibile fare zapping. Di conseguenza, esiste un numero limitato di esperimenti che possono indicare se il dispositivo sta realmente eseguendo calcoli quantistici. Uno, tuttavia, è variare la lentezza con cui il dispositivo trasuda dal suo stato iniziale al suo stato finale. A metà del processo di stillicidio, il computer arriva a un punto in cui deve iniziare a fare le scelte difficili che portano alla soluzione del problema. Qui il computer è in uno strano stato quantistico, in cui ogni bit registra 0 e 1 allo stesso tempo. Ho esortato i ricercatori di D-Wave a esplorare questo punto critico e a cercare i segni rivelatori.

Più di recente, ho parlato con Herb Martin, CEO di D-Wave, e Geordie Rose, chief technology officer e cofondatore dell'azienda, e ho sottolineato la necessità per loro di portare avanti questi esperimenti se sono veramente interessati a spiegare come funzionano i loro dispositivi. Un esperimento che ho consigliato a Rose è un protocollo specifico per creare e verificare la presenza di un cosiddetto stato del gatto di Schrödinger, una specifica istanza dello stato in cui tutti i qubit registrano sia 0 che 1 contemporaneamente. (Il nome deriva da un esperimento mentale proposto da uno dei fondatori della meccanica quantistica, Erwin Schrödinger, che immaginò un gatto quantistico che potesse essere sia morto che vivo allo stesso tempo.) Sia Martin che Rose sembrano entusiasti: sono ben consapevoli che se non riescono a dimostrare che il loro dispositivo sta davvero facendo qualcosa di quanto-meccanico, allora il loro nome all'interno della comunità scientifica rimarrà fango.

Nel novembre dello scorso anno, D-Wave ha dimostrato quello che affermava essere un computer quantistico adiabatico da 28 qubit. Ora, gli scienziati dell'azienda stanno tentando di dimostrare la natura fondamentalmente quantomeccanica del loro dispositivo. C'è una forte motivazione per fare la scienza e farlo bene. L'ingegneria è una scienza così consolidata che anche gli ingegneri come me possono farlo. Se non riesci a ottenere la scienza di un computer quantistico a 16 qubit, allora le tue possibilità di costruire dispositivi da 512-qubit e 1.024-qubit (i prossimi passi pianificati di D-Wave) sono nulle. D'altra parte, se D-Wave può confermare che il suo sistema attuale entra nello stato in cui tutti i suoi qubit sono 0 e 1 contemporaneamente, allora ha buone possibilità di costruire dispositivi quantistici più complessi.

E un gatto di Schrödinger superconduttore a 16 qubit sarebbe piuttosto bello.

Seth Lloyd è un professore di ingegneria meccanica e direttore del Center for Extreme Quantum Information Theory al MIT.

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