Meccanica quantistica di Microsoft

Nel 2012, i fisici nei Paesi Bassi hanno annunciato una scoperta nella fisica delle particelle che ha iniziato a parlare di un premio Nobel. All'interno di una minuscola bacchetta di cristallo semiconduttore raffreddato più freddo dello spazio esterno, avevano intravisto per la prima volta una strana particella chiamata fermione di Majorana, confermando finalmente una previsione fatta nel 1937. Si trattava di un progresso apparentemente estraneo alle sfide della vendita di software per la produttività dell'ufficio o competere con Amazon nel cloud computing, ma Craig Mundie, allora a capo della tecnologia e della strategia di ricerca di Microsoft, ne era entusiasta. L'astrusa scoperta, in parte sottoscritta da Microsoft, è stata fondamentale per un progetto dell'azienda volto a rendere possibile la costruzione di computer immensamente potenti che elaborano dati utilizzando la fisica quantistica. È stato un momento cruciale, dice Mundie. Questa ricerca ci stava guidando verso un modo per realizzare uno di questi sistemi.

Microsoft ha ormai quasi un decennio in quel progetto e ha appena iniziato a parlarne pubblicamente. Se avrà successo, il mondo potrebbe cambiare radicalmente. Da quando il fisico Richard Feynman suggerì per la prima volta l'idea di un computer quantistico nel 1982, i teorici hanno dimostrato che una macchina del genere potrebbe risolvere problemi che richiederebbero ai computer convenzionali più veloci centinaia di milioni di anni o più. I computer quantistici potrebbero, ad esempio, fornire ai ricercatori strumenti migliori per progettare nuovi farmaci o celle solari super efficienti. Potrebbero rivoluzionare l'intelligenza artificiale.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2014

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I progressi verso quel nirvana computazionale sono stati lenti perché nessuno è stato in grado di creare una versione sufficientemente affidabile dell'elemento costitutivo di base di un computer quantistico: un bit quantistico, o qubit, che utilizza gli effetti quantistici per codificare i dati. I ricercatori accademici e governativi e i laboratori aziendali di IBM e Hewlett-Packard li hanno tutti costruiti. Piccoli numeri sono stati collegati insieme e i dispositivi risultanti stanno migliorando. Ma nessuno può controllare la fisica abbastanza bene da permettere a questi qubit di fungere da base per un pratico computer generico.

Microsoft deve ancora creare un qubit. Ma nel tipo di paradosso che ci si può aspettare nel regno della fisica quantistica, potrebbe anche essere più vicino di chiunque altro a rendere pratici i computer quantistici. L'azienda sta sviluppando un nuovo tipo di qubit, noto come qubit topologico, basato in gran parte su quella scoperta del 2012 nei Paesi Bassi. Ci sono buone ragioni per credere che questo design sarà immune dalla fragilità che affligge i qubit esistenti. Sarà più adatto anche alla produzione di massa. Quello che stiamo facendo è analogo all'idea di realizzare il primo transistor, afferma Peter Lee, capo della ricerca di Microsoft. La sua azienda sta anche lavorando su come progettare e controllare i circuiti di un computer realizzato con qubit topologici. E i ricercatori Microsoft che lavorano su algoritmi per computer quantistici hanno dimostrato che una macchina composta da solo centinaia di qubit potrebbe eseguire simulazioni chimiche oltre la capacità di qualsiasi supercomputer esistente.

Nel prossimo anno, i laboratori di fisica supportati da Microsoft inizieranno a testare parti cruciali del suo design qubit, seguendo un progetto sviluppato da un genio della matematica all'aperto. Se questi test funzioneranno, una società ampiamente ritenuta bloccata nel passato dell'informatica potrebbe sbloccare il suo futuro.

Ancora più strano: un fisico dei leggendari ma sbiaditi Bell Labs potrebbe arrivare prima.

Legato in nodi

In una stanza soleggiata a 100 metri dall'Oceano Pacifico, Michael Freedman, l'istigatore e la mente tecnica del progetto di Microsoft, ammette di sentirsi inferiore. Quando inizi a pensare all'informatica quantistica, ti rendi conto che tu stesso sei una specie di computer analogico chimico goffo, dice. Freedman, che ha 63 anni, è direttore di Station Q, il gruppo di ricerca Microsoft che guida lo sforzo per creare un qubit topologico, lavorando da una dozzina di uffici nel campus dell'Università della California, a Santa Barbara. In forma e abbronzato, ha la polvere sulle scarpe dal camminare lungo un sentiero sulla spiaggia fino al pranzo.

Se la sua mente è un computer chimico goffo, è straordinario. Un prodigio della matematica che è entrato nella UC Berkeley all'età di 16 anni e si è laureato due anni dopo, Freedman aveva 30 anni quando ha risolto una versione di uno dei problemi più antichi della matematica, il Congettura di Poincaré . Lo ha elaborato senza scrivere nulla, visualizzando la distorsione delle forme quadridimensionali nella sua testa. Avevo visto la mia strada attraverso la discussione, ricorda Freedman. Quando ha tradotto quella visione interiore in una prova di 95 pagine, ha guadagnato la Medaglia Fields, la più alta onorificenza in matematica.

Ciò ha cementato la posizione di Freedman come protagonista della topologia, la disciplina che si occupa delle proprietà delle forme che non cambiano quando quelle forme vengono distorte. (Una vecchia barzelletta narra che i topologi non riescono a distinguere una tazza di caffè da una ciambella: entrambe sono superfici forate da un unico foro.) Ma fu attratto dalla fisica nel 1988 dopo che un collega scoprì una connessione tra alcuni dei calcoli matematici che descrivono il topologia dei nodi e una teoria che spiega alcuni fenomeni quantistici. È stata una cosa bellissima, dice Freedman. Capì immediatamente che questa connessione poteva consentire a una macchina governata da quella stessa fisica quantistica di risolvere problemi troppo difficili per i computer convenzionali. Ignorando che il concetto di calcolo quantistico esistesse già, lo aveva reinventato in modo indipendente.

Freedman continuò a lavorare su quell'idea e nel 1997 si unì al gruppo di ricerca di Microsoft sulla matematica teorica. Subito dopo, ha collaborato con un fisico teorico russo, Alexei Kitaev, che aveva dimostrato che un qubit topologico formato dalla stessa fisica potrebbe essere molto più affidabile dei qubit che altri gruppi stavano costruendo. Alla fine Freedman iniziò a sentire di essere su qualcosa che meritava attenzione al di là del suo mondo rarefatto di matematica e fisica profonde. Nel 2004, si è presentato nell'ufficio di Craig Mundie e ha annunciato di aver visto un modo per costruire un qubit abbastanza affidabile da scalare. Ho finito per fare una specie di presentazione, dice Freedman. Sembrava che se volessi iniziare a costruire la tecnologia, potresti.

L'ha comprato Mundie. Sebbene Microsoft non avesse cercato di sviluppare computer quantistici, sapeva del loro notevole potenziale e dei lenti progressi che erano stati fatti per costruirli. Sono stato subito affascinato dall'idea che forse ci fosse un approccio completamente diverso, dice. Una tale forma di calcolo si rivelerebbe probabilmente alla base di una trasformazione simile a quella che l'informatica classica ha fatto per il pianeta negli ultimi 60 anni. Ha organizzato uno sforzo per creare il qubit topologico, con un liberto leggermente nervoso al timone. Mai in vita mia avevo costruito una radio a transistor, dice Freedman.

Sogno lontano

In un certo senso, un computer quantistico non sarebbe così diverso da uno convenzionale. Entrambi trattano bit di dati rappresentati in forma binaria. Ed entrambi i tipi di macchine sono costituiti da unità di base che rappresentano i bit passando da uno stato all'altro come un interruttore. In un computer convenzionale, ogni minuscolo transistor su un chip può essere spento per indicare a 0 o su per a uno . Ma a causa delle strane regole della fisica quantistica, che governano il comportamento della materia e dell'energia su scale estremamente piccole, i qubit possono eseguire trucchi che li rendono estremamente potenti. Un qubit può entrare in uno stato quantistico noto come sovrapposizione, che rappresenta efficacemente 0 e uno allo stesso tempo. Una volta in uno stato di sovrapposizione, i qubit possono essere collegati o intrecciati in un modo che significa che qualsiasi operazione che interessa uno cambia istantaneamente il destino di un altro. A causa della sovrapposizione e dell'entanglement, una singola operazione in un computer quantistico può eseguire parti di un calcolo che richiederebbero molte, molte più operazioni per un numero equivalente di bit ordinari. Un computer quantistico può essenzialmente esplorare un numero enorme di possibili percorsi computazionali in parallelo. Per alcuni tipi di problemi, il vantaggio di un computer quantistico rispetto a uno convenzionale cresce esponenzialmente con la quantità di dati da sgranocchiare. Il loro potere è ancora uno stupore per me, dice Raymond Laflamme , direttore esecutivo dell'Institute for Quantum Computing presso l'Università di Waterloo, in Ontario. Cambiano le fondamenta dell'informatica e cosa intendiamo per computabile.

Nel prossimo anno, i laboratori di fisica supportati da Microsoft inizieranno a testare il suo design qubit.

Ma gli stati quantistici puri sono molto fragili e possono essere osservati e controllati solo in circostanze accuratamente inventate. Affinché una sovrapposizione sia stabile, il qubit deve essere protetto da rumori apparentemente banali come urti casuali da particelle subatomiche o deboli campi elettrici dall'elettronica vicina. Le due migliori tecnologie qubit di corrente rappresentano bit nelle proprietà magnetiche di singoli atomi carichi intrappolati in campi magnetici o come la minuscola corrente all'interno di circuiti di metallo superconduttore. Possono preservare le sovrapposizioni per non più di frazioni di secondo prima che collassano in un processo noto come decoerenza. Il maggior numero di qubit che sono stati gestiti insieme è solo sette.

Dal 2009, Google ha testato una macchina commercializzata dalla startup D-Wave Systems come il primo computer quantistico commerciale al mondo e nel 2013 ha acquistato una versione della macchina con 512 qubit. Ma quei qubit sono cablati in un circuito per un particolare algoritmo, limitando la gamma di problemi su cui possono lavorare. In caso di successo, questo approccio creerebbe l'equivalente del calcolo quantistico di un paio di pinze, uno strumento utile adatto solo ad alcune attività. L'approccio convenzionale perseguito da Microsoft offre un computer completamente programmabile, l'equivalente di una cassetta degli attrezzi completa. E inoltre, ricercatori indipendenti non sono stati in grado di confermare che la macchina di D-Wave funzioni veramente come un computer quantistico. Google ha recentemente avviato il proprio laboratorio hardware per provare a creare una versione della tecnologia che offre.

La ricerca di modi per combattere la decoerenza e gli errori che introduce nei calcoli è arrivata a dominare il campo dell'informatica quantistica. Affinché un qubit sia veramente scalabile, dovrebbe probabilmente decoderare accidentalmente solo una volta su un milione di operazioni, afferma Chris Monroe , professore all'Università del Maryland e co-leader di a progetto di calcolo quantistico finanziato dal Dipartimento della Difesa e dall'Intelligence Advanced Research Projects Activity. Oggi i migliori qubit in genere si decodificano migliaia di volte più spesso.

Station Q di Microsoft potrebbe avere un approccio migliore. Gli stati quantistici che hanno attirato Freedman nella fisica - che si verificano quando gli elettroni sono intrappolati in un piano all'interno di determinati materiali - dovrebbero fornire la stabilità che un costruttore di qubit brama, perché sono naturalmente sordi a gran parte del rumore che destabilizza i qubit convenzionali. All'interno di questi materiali, gli elettroni assumono strane proprietà a temperature vicine allo zero assoluto, formando quelli che sono noti come liquidi elettronici. Le proprietà quantistiche collettive dei liquidi elettronici possono essere usate per significare qualcosa. L'eleganza del design, insieme alle sovvenzioni in denaro, attrezzature e tempo di elaborazione, ha attirato alcuni dei principali ricercatori di fisica del mondo a collaborare con Microsoft. (La società non dirà quale frazione dei suoi 11 miliardi di dollari di spesa annuale in ricerca e sviluppo andrà al progetto.)

Il problema è che la fisica rimane non dimostrata. Per utilizzare le proprietà quantistiche dei liquidi elettronici come bit, i ricercatori dovrebbero manipolare alcune particelle al loro interno, note come anioni non abeliani, in modo che si avvolgano l'una intorno all'altra. E mentre i fisici si aspettano che esistano anyon non abeliani, nessuno è stato rilevato in modo definitivo.

Le particelle di Majorana, il tipo di anyoni non abeliani ricercati dalla Stazione Q e dai suoi collaboratori, sono particolarmente sfuggenti. Predetti per la prima volta dal solitario fisico italiano Ettore Majorana nel 1937, non molto tempo prima della sua misteriosa scomparsa, hanno affascinato i fisici per decenni perché hanno la proprietà unica di essere le loro stesse antiparticelle, quindi se due mai si incontrano, si annientano a vicenda in un lampo di energia.

Nessuno aveva riportato prove credibili della loro esistenza fino al 2012, quando Leo Kouwenhoven della Delft University of Technology nei Paesi Bassi, che aveva ottenuto finanziamenti e guida da Microsoft, annunciò di averli trovati all'interno di nanofili realizzati con l'antimonide di indio semiconduttore. Aveva convinto l'esistenza del giusto tipo di liquido elettronico collegando il nanofilo a un pezzo di elettrodo superconduttore a un'estremità e uno normale all'altra. Ha offerto il supporto più forte finora per il design di Microsoft. La scoperta ci ha dato un'enorme fiducia nel fatto che siamo davvero su qualcosa, afferma Lee di Microsoft. Il gruppo di Kouwenhoven e altri laboratori stanno ora cercando di perfezionare i risultati dell'esperimento e dimostrare che le particelle possono essere manipolate. Per accelerare il progresso e preparare il terreno per una possibile produzione di massa, Microsoft ha iniziato a collaborare con aziende industriali per garantire la fornitura di nanofili semiconduttori e l'elettronica superconduttrice necessaria per controllare un qubit topologico.

Nonostante tutto, Microsoft non ha ancora il suo qubit. È necessario trovare un modo per spostare le particelle di Majorana l'una attorno all'altra nell'operazione necessaria per scrivere l'equivalente di 0 sabbia uno S. Gli scienziati dei materiali del Niels Bohr Institute di Copenaghen hanno recentemente trovato un modo per costruire nanofili con rami laterali, che potrebbero consentire a una particella di piegarsi di lato mentre un'altra passa. Charlie Marcus, un ricercatore che ha lavorato con Microsoft sin dal suo primo progetto, si sta ora preparando a costruire un sistema funzionante con i nuovi cavi. Direi che ci terrà occupati per il prossimo anno, dice.

Il successo confermerebbe il design qubit di Microsoft e porrebbe fine ai recenti suggerimenti secondo cui Kouwenhoven potrebbe non aver rilevato la particella Majorana nel 2012, dopotutto. Ma John Preskill, professore di fisica teorica al Caltech, afferma che il qubit topologico non resta altro che una bella teoria. Sono molto affezionato all'idea, ma dopo alcuni anni di seri sforzi non ci sono ancora prove certe, dice.

La ricerca sull'informatica quantistica di Bob Willett presso i Bell Labs si sta rivelando promettente.

Fisica competitiva

Ai Bell Labs nel New Jersey, Bob Willett dice di aver visto le prove. Sbircia da sopra gli occhiali un rettangolo di cristallo nero opaco delle dimensioni di un polpastrello. Ha fili saldati a mano attorno ai bordi e sottili zigzag di alluminio sulla superficie. E nel mezzo del chip, in un'area di meno di un micrometro, Willett riferisce di aver rilevato anyon non abeliani. Se ha ragione, Willett è più avanti di chiunque lavori con Microsoft. E nella sua serie di piccoli laboratori logori, ora si sta preparando a costruire quello che, se funzionerà, sarà il primo qubit topologico al mondo. Stiamo effettuando la transizione dalla scienza alla tecnologia ora, dice. Il suo sforzo ha echi storici. In fondo al corridoio dai suoi laboratori c'è una teca di vetro con il primo transistor all'interno, realizzata in questo sito nel 1947.

Il dispositivo di Willett è una versione di un design a cui Microsoft ha per lo più rinunciato. Quando iniziò il progetto dell'azienda, Freedman e i suoi collaboratori avevano stabilito che sarebbe stato possibile costruire un qubit topologico utilizzando cristalli di arseniuro di gallio ultrapuro che intrappolano gli elettroni. Ma in quattro anni di esperimenti, i laboratori di fisica supportati da Microsoft non hanno trovato prove conclusive di anyon non abeliani. Willett aveva lavorato per anni su una fisica simile e, dopo aver letto un articolo di Freedman sul design, decise di provare lui stesso. In una serie di articoli pubblicati tra il 2009 e il 2013, ha riferito di aver trovato quelle particelle cruciali nei suoi dispositivi a base di cristalli. Quando un cristallo viene raffreddato con elio liquido a meno di 1 Kelvin (-272,15 ° C) e sottoposto a un campo magnetico, al suo centro si forma un liquido di elettroni. Willett usa elettrodi per far fluire le particelle attorno al suo bordo; se sono anoni non abeliani che ruotano attorno alle loro controparti al centro, dovrebbero cambiare lo stato topologico del liquido di elettroni nel suo insieme. Ha pubblicato i risultati di diversi esperimenti in cui ha visto oscillazioni rivelatrici, che i teorici avevano previsto, nella corrente di quelle particelle che fluiscono. Ora è passato alla costruzione di un design qubit. Non è molto più complesso del suo primo esperimento: solo due degli stessi circuiti posti schiena contro schiena sullo stesso cristallo, con elettrodi extra che collegano liquidi elettronici e possono codificare e leggere stati quantistici che rappresentano l'equivalente di 0 sabbia uno S.

Willett spera che quel dispositivo reprimerà lo scetticismo sui suoi risultati, che nessun altro è stato in grado di replicare. Il collaboratore di Microsoft Charlie Marcus afferma che Willett ha visto segnali che noi non abbiamo visto. Willett ribatte che Marcus e altri hanno reso i loro dispositivi troppo grandi e hanno utilizzato cristalli con importanti differenze nelle loro proprietà. Dice di averlo recentemente confermato testando alcuni dispositivi realizzati secondo le specifiche utilizzate da altri ricercatori. Avendo lavorato con i materiali con cui stanno lavorando, posso capire perché hanno smesso di farlo, perché è un rompicoglioni, dice.

Uno dei cristalli su cui Willett afferma di aver rilevato qubit topologici.

Bell Labs, ora di proprietà della società di telecomunicazioni francese Alcatel-Lucent, è più piccola e più povera di quanto non fosse quando AT&T, incontrastata come monopolio telefonico americano, ha permesso a molti ricercatori di fare praticamente tutto ciò che desideravano. Alcune delle stanze di Willett si affacciano sul terreno polveroso e sfregiato lasciato quando un'intera ala del laboratorio è stata demolita quest'anno. Ma con meno persone in giro rispetto ai laboratori molto tempo fa, è più facile accedere all'attrezzatura di cui ha bisogno, dice. E Alcatel ha iniziato a investire di più nel suo progetto. Willett lavorava con solo altri tre fisici, ma recentemente ha iniziato a collaborare anche con matematici ed esperti di ottica. La direzione di Bell Labs si è interrogata sui tipi di problemi che potrebbero essere risolti con un numero ridotto di qubit. Si sta espandendo in uno sforzo relativamente grande, dice.

Willett si considera un collega accademico dei ricercatori Microsoft piuttosto che un concorrente aziendale, e viene ancora invitato ai simposi biennali di Freedman che portano i collaboratori Microsoft e altri importanti fisici a Santa Barbara. Ma la gestione di Microsoft è stata più evidente nelle recenti riunioni, dice Willett, e a volte ha sentito che il fatto di appartenere a un'altra società rendeva le cose imbarazzanti.

Sarebbe più che imbarazzante se Willett battesse Microsoft per dimostrare che l'idea che ha sostenuto può funzionare. Per Microsoft aprire un percorso pratico verso l'informatica quantistica sarebbe sorprendente. Per gli avvizziti Bell Labs, di proprietà di una società che non opera nemmeno nel settore informatico, sarebbe sbalorditivo.

Codice Quantico

Nel verdeggiante campus di Microsoft a Redmond, Washington, migliaia di ingegneri del software si impegnano a correggere i bug e aggiungere funzionalità a Windows e Microsoft Office. I turisti posano nel museo dell'azienda per le foto con un ritaglio a grandezza naturale di un Bill Gates del 1978 e dei suoi primi dipendenti. Nell'edificio di ricerca principale, Krysta Svore guida una dozzina di persone che lavorano su software per computer che potrebbero non esistere mai. Il team sta cercando di capire cosa potrebbe fare per noi la prima generazione di computer quantistici.

Il gruppo è stato istituito perché, sebbene i computer quantistici siano potenti, non possono risolvere tutti i problemi. E solo una manciata di algoritmi quantistici sono stati sviluppati in modo sufficientemente dettagliato da suggerire che potrebbero essere pratici su hardware reale. L'informatica quantistica è probabilmente molto dirompente, ma dobbiamo capire dove si trova il potere, dice Svore.

Crediamo che ci sia la possibilità di fare qualcosa che potrebbe essere il fondamento di un'intera nuova economia.

Nessun computer quantistico entrerà mai nelle tue tasche, a causa del modo in cui i qubit devono essere superraffreddati (a meno che, ovviamente, qualcuno non usi un computer quantistico per progettare un qubit migliore). Piuttosto, verrebbero utilizzati come data center o supercomputer per alimentare servizi su Internet o per risolvere problemi che consentono il miglioramento di altre tecnologie. Un'idea promettente è quella di utilizzare i computer quantistici per simulazioni chimiche superpotenti che potrebbero accelerare i progressi su problemi importanti in aree come la salute o l'energia. Un computer quantistico potrebbe simulare la realtà in modo così preciso da poter sostituire anni di faticoso lavoro di laboratorio, afferma Svore. Oggi circa un terzo del tempo dei supercomputer statunitensi è dedicato alle simulazioni per la chimica o la scienza dei materiali, secondo il Dipartimento dell'Energia. Il gruppo di Svore ha sviluppato un algoritmo che consentirebbe anche a un computer quantistico di prima generazione di affrontare problemi molto più complessi, come testare virtualmente un catalizzatore per rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera, in poche ore o minuti. È una potenziale applicazione killer dei computer quantistici, dice.

Ma è possibile immaginare innumerevoli altre applicazioni killer. Il gruppo di Svore ha prodotto alcune delle prime prove che i computer quantistici possono essere utilizzati per l'apprendimento automatico, una tecnologia sempre più centrale per Microsoft e i suoi rivali. I recenti progressi nel riconoscimento delle immagini e del parlato hanno innescato una frenesia di nuove ricerche sull'intelligenza artificiale. Ma si basano su cluster di migliaia di computer che lavorano insieme e i risultati sono ancora molto indietro rispetto alle capacità umane. I computer quantistici potrebbero superare i limiti della tecnologia.

Un lavoro del genere aiuta a spiegare come la prima azienda a costruire un computer quantistico potrebbe ottenere un vantaggio praticamente senza precedenti nella storia della tecnologia. Crediamo che ci sia la possibilità di fare qualcosa che potrebbe essere la base di un'intera nuova economia, afferma Peter Lee di Microsoft. Come ci si aspetterebbe, lui e tutti gli altri che lavorano sull'hardware quantistico si dicono ottimisti. Ma con così tanto ancora da fare, il premio sembra più distante che mai. È come se la tecnologia qubit fosse in una sovrapposizione tra il cambiamento del mondo e la decodificazione in nient'altro che una serie di oscuri documenti di ricerca. Questo è il tipo di imponderabile che le persone che lavorano sulla tecnologia quantistica devono gestire ogni giorno. Ma con un guadagno così grande, chi può biasimarli per averci preso a pugni?

Questa storia è stata aggiornata il 10 ottobre per eliminare un riferimento errato a un busto di Thomas Edison.

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