La chiave per computer quantistici più potenti potrebbe essere costruirli come i Lego

Moduli in alluminio di Quantum Circuits. Per gentile concessione di Quantum Circuits

Visita qualsiasi startup o laboratorio universitario in cui vengono costruiti computer quantistici ed è come entrare in una distorsione temporale negli anni '60, il periodo d'oro dell'informatica mainframe, quando piccoli eserciti di tecnici si occupavano di macchine che potevano riempire intere stanze.

Tutti i tipi di apparecchiature, dai laser super precisi ai frigoriferi superraffreddati, sono necessari per sfruttare le forze esotiche della meccanica quantistica per il compito di elaborare i dati. I cavi che collegano vari pezzi di ingranaggi formano spaghetti multicolori che si riversano sui pavimenti e attraversano i soffitti. Fisici e ingegneri brulicano intorno a banchi di schermi, monitorando e ottimizzando costantemente le prestazioni dei computer.

I mainframe hanno inaugurato la rivoluzione dell'informazione e la speranza è che anche i computer quantistici si dimostreranno rivoluzionari. La loro immensa potenza di elaborazione promette di superare quella dei supercomputer convenzionali più capaci, offrendo potenzialmente progressi in tutto, dalla scoperta di farmaci alla scienza dei materiali e all'intelligenza artificiale.

La grande sfida che deve affrontare la nascente industria è creare macchine che possano essere ampliate in modo affidabile e relativamente economico. Generare e gestire i bit quantistici, o qubit, che trasportano informazioni nei computer è difficile. Anche le più piccole vibrazioni o variazioni di temperatura, fenomeni noti come rumore in gergo quantistico, possono far perdere ai qubit il loro fragile stato quantistico. E quando ciò accade, gli errori si insinuano nei calcoli.

La risposta più comune è stata quella di creare computer quantistici con quanti più qubit possibile su un singolo chip. Se alcuni qubit si accendono in modo errato, altri in possesso di copie delle informazioni possono essere richiamati come backup da algoritmi sviluppati per rilevare e ridurre al minimo gli errori. La strategia, che è stata sostenuta da grandi aziende come IBM e Google, nonché da startup di alto profilo come Rigetti Computing, ha generato macchine complesse che evocano quei mainframe dalle dimensioni di una stanza.

Il problema è che i tassi di errore sono estremi. I chip più grandi di oggi hanno meno di cento qubit, ma potrebbero essere necessarie migliaia o addirittura decine di migliaia per produrre lo stesso risultato di un singolo qubit privo di errori. Ogni qubit necessita del proprio cablaggio di controllo, quindi più ne vengono aggiunti, più complesso diventa la gestione di un sistema. Sarà inoltre necessaria una maggiore attrezzatura per monitorare e gestire i conteggi di qubit in rapida espansione. Ciò potrebbe aumentare notevolmente la complessità e il costo dei computer, limitandone il fascino.

Robert Schoelkopf, professore a Yale, pensa che ci sia un modo migliore per andare avanti. Invece di provare a stipare sempre più qubit su un singolo chip, Quantum Circuits, una startup che ha cofondato nel 2017, sta sviluppando mini macchine quantistiche. Questi possono essere collegati in rete insieme tramite interfacce specializzate, un po' come i mattoncini Lego ad alta tecnologia. Schoelkopf afferma che questo approccio aiuta a produrre tassi di errore inferiori, quindi saranno necessari meno qubit, e quindi meno hardware di supporto, per creare potenti macchine quantistiche.

Robert Schoelkopf nel laboratorio dell'ufficio di New Haven di Quantum Circuits. Julie Bidwell

Gli scettici sottolineano che, a differenza di rivali come IBM, Quantum Circuits deve ancora svelare pubblicamente un computer funzionante. Ma se riesce a fornirne uno all'altezza delle affermazioni di Schoelkopf, potrebbe aiutare a portare il calcolo quantistico fuori dai laboratori e nel mondo commerciale molto più velocemente.

La spinta a creare qubit più duraturi

L'idea di unire blocchi quantistici più piccoli per creare computer più grandi è in circolazione da anni, ma non ha mai preso piede. Non c'è stata una macchina eccezionale e tollerante ai guasti che sia stata ancora costruita utilizzando l'approccio modulare, spiega Jerry Chow, che gestisce il team sperimentale di calcolo quantistico presso IBM Research. Tuttavia, aggiunge Chow, se qualcuno riuscirà a farcela saranno Schoelkopf e i suoi colleghi.

Dopo una formazione come ingegnere e fisico, compresi periodi alla NASA e al Caltech, Schoelkopf è entrato a far parte della facoltà di Yale nel 1998 e ha iniziato a lavorare sull'informatica quantistica. Lui ei suoi colleghi hanno aperto la strada all'uso di circuiti superconduttori su un chip per creare qubit. Pompando corrente elettrica attraverso microchip specializzati tenuti all'interno di frigoriferi che sono più freddi dello spazio profondo, sono in grado di indurre le particelle negli stati quantistici che sono la chiave dell'immensa potenza dei computer.

A differenza dei bit nei computer ordinari, che sono flussi di impulsi elettrici o ottici che rappresentano a uno o a 0 , i qubit sono particelle subatomiche come fotoni o elettroni che possono trovarsi in una sorta di combinazione di entrambi uno e 0 —un fenomeno noto come sovrapposizione. I qubit possono anche rimanere impigliati tra loro, il che significa che un cambiamento nello stato di uno può cambiare istantaneamente lo stato degli altri anche quando non c'è alcuna connessione fisica tra loro.

Un sistema a vuoto utilizzato per creare circuiti superconduttori. Julie Bidwell

C'è più background su questo nel nostro esplicativo di calcolo quantistico. La cosa principale da sapere, tuttavia, è che ciò consente ai qubit di agire come se stessero eseguendo molti calcoli contemporaneamente che un normale computer dovrebbe eseguire in sequenza. Ciò significa che l'aggiunta di qubit aggiuntivi a una macchina quantistica aumenta esponenzialmente la sua capacità di elaborazione.

Schoelkopf ha anche ottenuto plausi per il suo lavoro sul problema del rumore. I tempi di coerenza dei qubit, ovvero per quanto tempo possono eseguire calcoli prima che il rumore interrompa il loro delicato stato quantistico, sono migliorati di un fattore 10 all'incirca ogni tre anni. (I ricercatori hanno soprannominato questa tendenza la legge di Schoelkopf in un cenno alla legge di Moore dell'informatica classica, che sostiene che il numero di transistor su un chip di silicio raddoppia all'incirca ogni due anni.) Brendan Dickinson di Canaan Partners, uno degli investitori di Quantum Circuits, afferma Schoelkopf's L'impressionante esperienza nei qubit superconduttori è uno dei motivi principali per cui ha deciso di sostenere l'attività, che finora ha raccolto 18 milioni di dollari.

Ironia della sorte, alcuni degli studenti guidati da Schoelkopf e dai suoi cofondatori di Yale, Michel Devoret e Luigi Frunzio, sono ora in aziende come IBM e Rigetti che competono con la loro startup. Schoelkopf è chiaramente orgoglioso della diaspora quantistica che è uscita dal laboratorio di Yale. Mi ha detto che alcuni anni fa aveva esaminato tutte le organizzazioni in tutto il mondo che lavoravano sui qubit superconduttori e aveva scoperto che più della metà di loro erano gestite da persone che avevano trascorso del tempo lì. Ma crede anche che si sia instaurato una sorta di pensiero di gruppo.

I vantaggi delle macchine modulari

La maggior parte dei ricercatori che lavorano su macchine superconduttrici si concentra sulla creazione di quanti più qubit possibile su un singolo chip. L'approccio di Quantum Circuits è molto diverso da quello standard. Il cuore del suo sistema è un piccolo modulo in alluminio contenente circuiti superconduttori realizzati su chip di silicio o zaffiro. Ogni modulo contiene ciò che ammonta a 5-10 qubit.

Per collegare in rete questi moduli in computer più grandi, l'azienda utilizza quello che sembra uscito da qualcosa Star Trek —teletrasporto quantistico. È un metodo che è stato sviluppato per la spedizione di dati attraverso cose come le reti di telecomunicazioni. L'idea di base consiste nell'aggrovigliare un fotone a microonde in un modulo con un fotone in un altro e quindi utilizzare il collegamento tra di loro come ponte per il trasferimento dei dati. (Abbiamo anche una spiegazione del teletrasporto quantistico.) Quantum Circuits ha utilizzato questo approccio per teletrasportare una versione quantistica di una porta logica tra i suoi moduli.

Schoelkopf afferma che ci sono diversi motivi per cui i moduli di rete insieme sono meglio che stipare quanti più qubit possibile su un singolo chip. La scala ridotta di ciascuna unità facilita il controllo del sistema e l'applicazione di tecniche di correzione degli errori. Inoltre, se alcuni qubit vanno in tilt in un singolo modulo, l'unità può essere rimossa o isolata senza influenzare gli altri collegati in rete; se sono tutti su un unico chip, potrebbe essere necessario rottamare l'intera cosa.

Un wafer utilizzato per creare qubit nei computer di Quantum Circuits. Julie Bidwell

Guardando al futuro, le macchine modulari di Quantum Circuits avranno ancora bisogno della stessa attrezzatura di quelle rivali, inclusi i frigoriferi di superraffreddamento e l'attrezzatura di monitoraggio. Ma man mano che si ridimensionano, non dovrebbero richiedere neanche lontanamente lo stesso tipo di cablaggio di controllo e altri accessori necessari per padroneggiare i singoli qubit. Quindi, mentre i dispositivi rivali potrebbero assomigliare sempre di più a quegli enormi primi mainframe, le macchine della startup dovrebbero rimanere simili a quelle ridotte che apparivano come l'elaborazione convenzionale avanzata negli anni '70 e oltre.

Ascoltando Schoelkopf parlare attraverso la tecnologia, un'immagine si è insinuata nella mia testa: i miei bambini che giocavano con i mattoncini Lego di plastica quando erano piccoli, unendoli insieme per costruire castelli e fortezze.

Quando ho suggerito il confronto, Schoelkopf inizialmente era un po' diffidente, ma poi è diventato piuttosto entusiasta. In generale, ogni dispositivo complesso che conosco, ha detto, si basa sull'avere l'equivalente dei blocchi Lego, e tu definisci le interfacce e come si adattano insieme … [I mattoncini Lego] sono davvero economici. Possono essere prodotti in serie. E si collegano sempre nel modo giusto.

I moduli quantistici di Schoelkopf hanno un altro vantaggio chiave. Ciascuno contiene una cavità tridimensionale che intrappola un certo numero di fotoni a microonde. Questi formano quelli che sono noti come qudit e sono come qubit, tranne per il fatto che memorizzano più informazioni. Mentre un qubit rappresenta una combinazione di uno e 0 , un qudit può esistere in più di due stati, diciamo, 0 , uno , e Due allo stesso tempo. I computer quantistici con qudit possono sgranocchiare ancora più informazioni contemporaneamente.

Scienziati hanno sperimentato i qudit per qualche tempo, ma sono difficili da generare e controllare. Schoelkopf afferma che Quantum Circuits ha trovato il modo di crearne di di alta qualità in modo coerente e di ridurre significativamente gli errori. (L'azienda afferma di aver raggiunto tempi di coerenza utilizzando le sue cavità da dieci a 100 volte più lunghe rispetto ai qubit superconduttori, il che semplifica la correzione degli errori.) Alcuni qubit sono ancora necessari per eseguire operazioni sui qudit e per estrarre informazioni da essi , ma il suo approccio richiede meno di questi qubit. Ciò, a sua volta, significa che nel complesso è necessario meno hardware.

L'informatica quantistica è un campo molto aperto

Interno di un frigorifero di diluizione Quantum Circuits. Per gentile concessione di Quantum Circuits

L'approccio di Quantum Circuits sembra avvincente, ma Schoelkopf si rifiuta di dire esattamente quando l'azienda presenterà un computer perfettamente funzionante. Né rivelerà quanti qubit e qudit il suo team è riuscito a lavorare insieme in totale.

Più tempo impiega, più la sua startup rischia di essere oscurata dai suoi rivali. IBM e Rigetti stanno già offrendo alle aziende e ai ricercatori l'accesso ai loro computer quantistici tramite il cloud computing e si dice che Google sia vicino a essere il primo a raggiungere la supremazia quantistica, o il punto in cui un computer quantistico può svolgere un compito al di là della portata anche del più potente supercomputer convenzionale.

Schoelkopf afferma che le organizzazioni che vogliono provare algoritmi sul sistema di Quantum Circuits saranno in grado di farlo molto presto e che a un certo punto collegheranno le macchine al cloud come hanno fatto IBM e Rigetti. L'avvio non è solo la creazione di computer; sta anche lavorando su un software che aiuterà gli utenti a ottenere il massimo dall'hardware sottostante.

Inoltre, sono i primi giorni. Gli algoritmi quantistici eseguiti su servizi cloud come quelli di IBM oggi sono ancora piuttosto semplici, osserva Schoelkopf. Il campo è spalancato per i computer quantistici e i software associati che possono davvero fare la differenza in un'ampia gamma di aree, dalle applicazioni di intelligenza artificiale alla turbolenza alla modellazione di molecole per i chimici.

Rimangono molte domande. Riuscirà Quantum Circuits a continuare a produrre qubit e qudit robusti mentre costruisce macchine molto più grandi? Può far funzionare in modo affidabile il suo metodo di teletrasporto quantistico mentre collega più moduli insieme? E i suoi sistemi, quando saranno messi in vendita, saranno più convenienti da utilizzare rispetto a quelli dei concorrenti? Significative sfide fisiche e ingegneristiche si prospettano ancora. Ma se Schoelkopf e i suoi colleghi riusciranno a superarli, potrebbero dimostrare che la chiave per diventare molto grandi nell'informatica quantistica è pensare in piccolo.

nascondere