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La frontiera quantistica
Nel maggio 1981, in una conferenza ospitata dal Laboratory for Computer Science del MIT, Richard Feynman '39 descrisse un dispositivo teorico che chiamò computer quantistico, che avrebbe eseguito calcoli sfruttando lo strano comportamento della materia su scale molto piccole. I fisici teorici hanno ripreso l'idea, mostrando che i computer quantistici potrebbero, in linea di principio, fare tutto ciò che i normali computer potrebbero e sostenendo che potrebbero essere in grado di fare alcune cose molto, molto più velocemente. Tuttavia, per più di un decennio il calcolo quantistico è rimasto, per tutti tranne pochi appassionati, un argomento solo per oziose speculazioni.
Da sinistra: i professori Peter Shor, Scott Aaronson e Edward Farhi
La situazione è cambiata in modo spettacolare nel 1994, quando Peter Shor, PhD '85, ora professore di matematica applicata al MIT, ha descritto un algoritmo quantistico per trovare i fattori primi di un numero. Un computer quantistico che esegue l'algoritmo di Shor sarebbe in grado di eseguire attività di fattorizzazione che i computer di oggi non potrebbero completare nel corso della vita dell'universo. Poiché la difficoltà di fattorizzare grandi numeri è tutto ciò che garantisce la sicurezza della maggior parte dei moderni sistemi crittografici, il resto del mondo, e in particolare organizzazioni come la National Security Agency, ha dovuto prenderne atto. Shor ha mostrato che se si potessero costruire computer quantistici, allora ci sarebbero persone che volevano comprarli, dice Seth Lloyd, un professore di ingegneria meccanica che studia informatica quantistica. L'algoritmo di Shor ha costituito l'app killer che ha interessato tutti.
Sebbene i computer quantistici per tutti gli usi completamente funzionali siano probabilmente lontani decenni, l'algoritmo di Shor ha trasformato il calcolo quantistico in un'area di ricerca brulicante. Oggi, dice Lloyd, il numero di ricercatori in tutto il mondo che lavorano sull'informatica quantistica è probabilmente di circa 5.000. Penso che se otteniamo altri 300 membri all'American Physical Society, saremo una divisione dell'American Physical Society, dice. E sotto ogni aspetto, dalla scoperta di nuovi algoritmi all'ideazione di nuovi tipi di computer, i ricercatori del MIT sono nel bel mezzo della mischia.
Possibilità quantistica
Il calcolo quantistico è radicato nel mistero centrale della fisica quantistica: le minuscole particelle di materia possono abitare contemporaneamente più stati apparentemente mutuamente esclusivi. Lancia un singolo fotone, una particella di luce, contro una barriera con due fenditure e passerà attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente. Gli elettroni hanno una proprietà chiamata spin, che può essere pensata come una rotazione in senso orario o antiorario, ma un singolo elettrone può ruotare contemporaneamente in senso orario e antiorario. Questa capacità di essere in più di uno stato alla volta, che i fisici chiamano sovrapposizione, è, come disse una volta Feynman, impossibile, assolutamente impossibile, da spiegare in un modo classico. Per rendere le cose ancora più strane, se hai una particella quantistica che si trova in più stati contemporaneamente e esegui delle misurazioni su di essa, si blocca istantaneamente in uno solo di quegli stati. E quale di loro assume è totalmente casuale. (Questa è la base di un'altra famosa citazione della fisica: l'insistenza di Einstein, contro i dettami della fisica quantistica, che Dio non gioca a dadi con l'universo.)
In informatica, l'unità fondamentale dell'informazione è il bit, che può assumere uno di due valori, solitamente espresso come 0 e uno . I pionieri dell'informatica quantistica si resero conto che, poiché una particella quantistica può trovarsi in due stati contemporaneamente, potrebbe rappresentare 0 e uno allo stesso tempo. Due bit quantistici, o qubit, potrebbero rappresentare quattro valori, tre dei quali otto, quattro dei quali 16 e così via. Un singolo calcolo che coinvolge n qubit sarebbe come fare 2 n calcoli in una volta.
Supponiamo, tuttavia, di avere otto qubit, che rappresentano i risultati di 256 calcoli simultanei. Se si esegue una misurazione sui qubit, la sovrapposizione crolla: ogni qubit assume immediatamente un valore di 0 o uno . Ti rimane solo una delle 256 possibilità iniziali, e quella scelta a caso. Come garantisci che sia quello che desideri?
Il primo algoritmo quantistico
Questa è la domanda a cui ha risposto Shor, in quello che rimane il principale risultato nel nostro campo, secondo Edward Farhi, direttore del Center for Theoretical Physics del MIT, che si occupa anche di calcolo quantistico.
Quando una particella in sovrapposizione assume casualmente un singolo stato, lo fa in accordo con determinate probabilità: nel tempo, le particelle scatteranno in alcuni stati più spesso di altri. Queste probabilità possono essere rappresentate come una curva che assomiglia molto alla cresta di un'onda. Si scopre che la stessa matematica che descrive la fisica delle onde descrive anche la fisica delle probabilità quantistiche.
Quando le onde si scontrano, interferiscono l'una con l'altra, in modo costruttivo o distruttivo. Se due creste si intersecano, il risultato è una cresta più grande; se una cresta si interseca con un avvallamento, si annullano a vicenda. Shor ha trovato un modo ingegnoso per rappresentare il problema della fattorizzazione con onde di probabilità, in modo che le risposte giuste tendessero a rafforzarsi a vicenda mentre quelle sbagliate sostanzialmente scomparivano. Il risultato è ancora un'onda di probabilità, ma quando la sovrapposizione crolla, le probabilità sono molto alte che tu ottenga la risposta giusta.
Shor ha iniziato a lavorare sull'algoritmo nel 1993, quando era al centro di ricerca Bell Labs di AT&T, dopo aver ascoltato un discorso sull'informatica quantistica di Umesh Vazirani '81, professore all'Università della California, a Berkeley. Non ci sto lavorando a tempo pieno, ovviamente, dice. In effetti, non ho detto a nessuno che ci stavo lavorando finché non l'ho inventato.
In realtà, il primo algoritmo quantistico di cui Shor parlò a qualcuno, nell'aprile 1994, era uno per il calcolo dei logaritmi, un problema strettamente correlato alla fattorizzazione. Ho tenuto un discorso sull'algoritmo ai Bell Labs un martedì, dice. Quel sabato ero a casa con un brutto raffreddore e Umesh Vazirani mi ha chiamato dalla California, molto eccitato, e ha detto: 'Ho sentito che sai come si calcola il fattore con un computer quantistico'. giorni, aveva adattato il suo algoritmo proprio a quel problema. Il Economista mi ha intervistato non molto tempo dopo, dice Shor. Presto ricevevo tonnellate di e-mail sull'algoritmo e non avevo ancora scritto il documento. Quando ha tenuto il suo primo discorso pubblico al Cornell all'inizio di maggio, dice, ridendo, che qualcuno della NSA me ne ha parlato in seguito.
Sfruttare la tecnologia MRI
Quando Seth Lloyd arrivò al MIT nel 1994, avevo scritto un sacco di articoli sull'informatica quantistica, dice. Io e forse, tipo, altre cinque o sei persone ci avevamo lavorato prima del 1994. Per Lloyd, l'annuncio dell'algoritmo di Shor ha avuto un effetto molto concreto: ha reso molto più facile ottenere il mandato.
Uno dei documenti che Lloyd aveva pubblicato, in Scienza nel 1993, propose il primo progetto fattibile per un computer quantistico. Si potrebbe pensare a una tazza piena di molecole, dice. In ogni molecola, i qubit erano rappresentati da diversi tipi di atomi e tutte le molecole nella tazza avrebbero eseguito lo stesso calcolo contemporaneamente.
In una ricerca separata, il visiting professor David Cory e Neil Gershenfeld, capo del Physics and Media Group del Media Lab, hanno dimostrato che il progetto di Lloyd potrebbe essere realizzato utilizzando la risonanza magnetica nucleare (NMR), il fenomeno alla base della risonanza magnetica. Un potente magnete allineerebbe gli spin degli atomi che compongono le molecole. Diverse frequenze delle onde radio potrebbero quindi mettere alcuni degli atomi in sovrapposizione e capovolgere gli spin di altri. Gli elettroni con spin definiti rappresenterebbero i dati e gli spin in sovrapposizione rappresenterebbero i risultati di più operazioni eseguite su quei dati.
Nel 1998, Gershenfeld ha collaborato con Isaac Chuang '90, '91, SM '91, poi presso l'IBM Almaden Research Center di San Jose, in California, e Mark Kubinec dell'UC Berkeley per costruire il primo sistema informatico che utilizzava la risonanza magnetica nucleare per eseguire un algoritmo. Aveva due qubit.
Nel 2000, Chuang è tornato al MIT, dove ora è professore di fisica, ingegneria elettrica e informatica. L'anno successivo, lui e i colleghi IBM hanno costruito un computer NMR a sette qubit che ha eseguito con successo l'algoritmo di Shor per la prima volta. Ha determinato che i fattori primi di 15 sono molto probabilmente tre e cinque.
Un problema con il calcolo quantistico NMR è che poiché i qubit sono rappresentati da atomi diversi in una singola molecola, calcoli più complessi richiedono molecole più complesse. Ma più grande è la molecola, più forte è il suo campo elettromagnetico e maggiore è la difficoltà di distinguere il segnale elettromagnetico prodotto da un singolo atomo. Alcuni ricercatori stanno studiando minuscoli sensori in grado di leggere segnali magnetici da singole molecole. Ma Chuang, tra gli altri, si è rivolto ai computer quantistici che utilizzano ioni intrappolati nei campi elettromagnetici come qubit, una tecnica proposta nel 1995 dai ricercatori dell'Università austriaca di Innsbruck.
L'informatica quantistica a trappola ionica utilizza campi magnetici rotanti per isolare le singole molecole e la luce laser anziché gli impulsi radio per modificare gli stati quantistici delle molecole. Sebbene ciò dia ai ricercatori un controllo più preciso sui qubit rispetto alle tecniche NMR esistenti, lo richiede anche. Gli elettroni che orbitano attorno a un nucleo possono trovarsi in diversi stati energetici. Aggiungi abbastanza energia a un elettrone e apparirà al livello di energia successivo; se perde solo un po' di energia, ricadrà. L'informatica quantistica a trappola ionica richiede di mantenere gli elettroni in stati energetici diversi e precisamente specificati. Questo è così complicato che alcuni ricercatori hanno iniziato a considerare se potesse esistere un computer quantistico che rimanesse nel suo stato energetico più basso.
Un approccio adiabatico
Nel 2000, i fisici del MIT Edward Farhi e Jeffrey Goldstone, Michael Sipser del dipartimento di matematica e Sam Gutmann, '73, PhD '77 della Northeastern, hanno proposto un nuovo tipo di computer quantistico, chiamato computer quantistico adiabatico, che è sempre alla sua energia più bassa stato. (Gli oggetti tendono a cercare gli stati di energia più bassa che riescono a trovare, quindi gli stati a bassa energia tendono ad essere più stabili di quelli ad alta energia.) Il documento non ha specificato come sarebbero stati realizzati i qubit. Ma si basava sul riconoscimento che le soluzioni ai problemi computazionali potevano essere rappresentate come gli stati di energia più bassa di un sistema fisico.
Due magneti, ad esempio, tenderanno ad allineare il polo nord al polo sud perché richiede meno energia che forzare insieme i poli nord. Un gruppo di magneti posizionati arbitrariamente su una lavagna inizierà quindi a girare in modo che il maggior numero possibile di magneti sia allineato nord-sud. In teoria, se posizionassi i magneti nello schema giusto e imposti i loro orientamenti iniziali nel modo giusto, potresti codificare un problema di calcolo. Quando i magneti si capovolgevano per trovare il loro orientamento a energia più bassa, convergevano verso la soluzione del problema. Il calcolo quantistico adiabatico è simile, ma potrebbe esplorare molte possibili soluzioni contemporaneamente, poiché utilizzerebbe i qubit anziché i magneti.
Con il calcolo quantistico adiabatico, un sistema fisico quantomeccanico verrebbe impostato nel suo stato energetico più basso, chiamato stato fondamentale. Inizialmente, il sistema codificherebbe un problema molto più semplice di quello che intende risolvere. Ma nel tempo, alcuni parametri di controllo del sistema, ad esempio la forza del suo campo elettromagnetico, sarebbero stati gradualmente modificati, fino a quando il sistema non avrebbe finito per codificare il problema più difficile. Se il cambiamento avvenisse abbastanza lentamente, il sistema rimarrebbe nel suo stato fondamentale, quindi finirebbe per rappresentare la soluzione al problema.
Alcune persone pensano che se avessi un computer quantistico che doveva rimanere nel suo stato fondamentale, diciamo, rendendolo molto freddo, questo potrebbe rendere il sistema un po' meno incline agli errori, dice Farhi. Perché se hai sempre freddo e sei sempre nello stato fondamentale, è probabilmente un posto più facile in cui stare che in uno stato eccitato che devi controllare attentamente.
Il problema con l'approccio adiabatico è che il sistema deve cambiare lentamente per impedirgli di saltare a uno stato energetico più elevato, e nessuno sa quanto lentamente sia abbastanza lento. Se è infinitamente lento, sappiamo che funzionerà, dice Farhi. Ma se il sistema deve cambiare troppo lentamente, non offrirà vantaggi rispetto ai computer convenzionali.
Farhi continua a indagare sulla velocità con cui un sistema di calcolo quantistico adiabatico può cambiare, sia attraverso la modellazione al computer di sistemi relativamente semplici sia attraverso l'analisi matematica. Nel frattempo, nel 2002, Lloyd e Bill Kaminsky, uno studente laureato nel suo gruppo, hanno proposto un modo per realizzare un computer quantistico adiabatico utilizzando circuiti elettrici superconduttori, in cui il flusso di corrente può essere sovrapposto: effettivamente, la corrente scorre in senso orario e antiorario a una volta. La direzione del flusso di corrente rappresenta il valore di un qubit e l'energia totale del sistema dipende dalla direzione del flusso di corrente nei circuiti adiacenti. Quando viene applicato un campo magnetico, le correnti vanno in sovrapposizione. Quando viene misurato, il sistema scatta nel suo stato di energia più bassa, rivelando la risposta. Due anni dopo, Lloyd; Wim van Dam, un postdoc nel gruppo di Farhi; e altri quattro ricercatori di quattro diverse università hanno dimostrato che un computer quantistico adiabatico potrebbe, in linea di principio, eseguire qualsiasi calcolo che un computer quantistico convenzionale potrebbe.
Nel 2007, un'azienda di Burnaby, nella Columbia Britannica, ha dimostrato quello che si diceva fosse un computer quantistico adiabatico a 16 qubit che utilizzava circuiti superconduttori. Alla fine del 2008, la società, D-Wave, ha annunciato di aver portato il conteggio dei qubit a 128. Molti esperti sono stati scettici, ma in un Natura articolo pubblicato all'inizio di quest'anno, i ricercatori di D-Wave hanno dimostrato che la loro cella a otto qubit mostra effetti quantistici. La società ha raccolto oltre 65 milioni di dollari di finanziamenti e a maggio ha venduto il suo primo dispositivo commerciale, un D-Wave One da 128 qubit, a Lockheed Martin.
Superare i Supercomputer
Parte del problema con dimostrazioni come quelle di D-Wave, o anche con computer quantistici NMR come Chuang, è che i circuiti quantistici sono troppo semplici per eseguire calcoli che i computer convenzionali non possono. Scott Aaronson, un professore associato di informatica che, a 30 anni, è il più giovane dei ricercatori di informatica quantistica di alto profilo del MIT, sta cercando di affrontare questo problema, come dice lui, incontrando gli sperimentalisti a metà strada.
Nel 2011, Aaronson e il suo studente universitario Aleksandr Arkhipov hanno proposto un esperimento che, se avesse funzionato, avrebbe eseguito un calcolo che nemmeno il più potente dei supercomputer di oggi potrebbe eseguire. La configurazione sperimentale dovrebbe, secondo lui, essere molto più semplice da costruire rispetto a un computer quantistico a grandezza naturale.
L'esperimento utilizzerebbe una serie di divisori di raggio, dispositivi utilizzati nelle reti ottiche per dividere i raggi laser in due. Nel 1987, i fisici dell'Università di Rochester hanno scoperto che se due fotoni arrivassero a un divisore di fascio esattamente nello stesso momento, le interazioni quantomeccaniche costringerebbero entrambi ad andare a destra oa sinistra. Non sarebbero mai, come predice la legge delle probabilità, dal divisore di fascio in direzioni diverse.
Aaronson e Arkhipov propongono di instradare un numero finito di fotoni, diciamo 20, attraverso una serie di divisori di fascio a una serie di rivelatori di luce, diciamo circa 400. Calcolare la frequenza con cui numeri diversi di fotoni arriverebbero a rivelatori diversi è probabilmente oltre la capacità di calcolo di tutti i computer del mondo. Ma, Aaronson e Arkhipov hanno dimostrato, lo stesso vale per il calcolo di risultati statisticamente plausibili anche per un paio di dozzine di esecuzioni dell'esperimento. Questo è un problema, tuttavia, che un paio di dozzine di esecuzioni riuscite dell'esperimento potrebbero risolvere.
Quando hanno descritto per la prima volta il loro esperimento, Terry Rudolph, un ricercatore avanzato del gruppo Quantum Optics and Laser Science dell'Imperial College di Londra, ha affermato che ha il potenziale per portarci oltre quella che vorrei chiamare la 'singolarità quantistica', dove facciamo la prima cosa quantisticamente che non possiamo fare su un computer classico.
I fisici sperimentali di diverse università hanno raccolto la sfida di Aaronson e Arkhipov e sono fiduciosi che in un tempo relativamente breve riusciranno a far funzionare l'esperimento con forse quattro fotoni. Una versione con 20 fotoni impiegherà più tempo e un computer quantistico perfettamente funzionante potrebbe impiegare ancora più tempo. Ma quando quel computer sarà finalmente costruito e la storia della sua invenzione sarà scritta, i primi capitoli saranno costellati di nomi di professori del MIT.