Sfruttare i bit quantici

Il risultato potrebbe non essere all'altezza della trasmissione di Samuel Morse di Ciò che Dio ha operato da Washington, DC, a Baltimora nel 1844 o dell'intonazione della voce di Alexander Graham Bell, Watson, vieni qui. Ti voglio da una stanza all'altra nel 1876. Tuttavia, gli scienziati potrebbero alla fine segnare come una pietra miliare il giorno nel 2001 in cui Isaac Chuang e i suoi colleghi dell'IBM stabilirono che i due fattori primi del numero 15 sono tre e cinque.

Ciò che rendeva notevole il loro calcolo, ovviamente, non era l'aritmetica del liceo, ma il fatto che il calcolo fosse stato eseguito da sette nuclei atomici in una molecola di fluorocarbonio progettata su misura. L'ironia che un esperimento così complesso e delicato produrrebbe un risultato così banale e banale non è sfuggita a Chuang, uno dei ricercatori più importanti al mondo nel campo dell'informatica quantistica. Il mio gruppo, dice con una risatina, detiene il record mondiale per il computer quantistico più grande e inutile.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2003

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Ma Chuang, ora professore associato al MIT Media Lab, potrebbe mostrare un eccesso di umiltà. I computer quantistici oggi esistono solo su una scala dolorosamente piccola. Ma nonostante un inizio lento, il campo sembra essere sul punto di produrre progressi reali nella teoria e nell'ingegneria quantistica. I ricercatori hanno proposto i primi progetti per computer quantistici su larga scala, dispositivi che utilizzano le bizzarre proprietà delle particelle subatomiche esistenti agli estremi di piccole dimensioni e alta velocità per risolvere problemi che confondono anche i più potenti dispositivi di calcolo convenzionali.

Un approccio ingegneristico con notevoli promesse impiega una classe di dispositivi in ​​grado di intrappolare singoli elettroni all'interno di un campo elettromagnetico. Il loro spin, o orientamento in un campo magnetico, può essere osservato per produrre un bit quantistico, o qubit. Un altro approccio promettente utilizza la risonanza magnetica nucleare, che può manipolare raccolte, o insiemi, di molecole per eseguire calcoli e restituire risultati in una forma misurabile. Questa è la tecnica che Chuang e Neil Gershenfeld, un collega professore del MIT Media Lab, stanno esplorando. Le persone stanno escogitando tutti questi strumenti che semplificheranno la realizzazione di un computer quantistico, afferma Jonathan Dowling, scienziato principale e supervisore del gruppo di tecnologie di calcolo quantistico presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California.

Questa ricerca sta anche iniziando a indicare effetti collaterali a breve termine, inclusi miglioramenti nei controlli elettronici per i dispositivi di navigazione, comunicazione e misurazione. Una delle cose che faccio è pensare a come usare l'informatica quantistica per creare aggeggi migliori, dice Dowling. Tra i suoi progetti c'è un giroscopio quantistico che sfrutterebbe il comportamento quantistico dei fotoni per rendere più sensibili questi cruciali dispositivi di navigazione. L'eccitazione si è diffusa anche nella comunità dell'intelligenza artificiale: ci sono segnali che la capacità degli algoritmi quantistici di sondare più possibilità contemporaneamente potrebbe aiutare nell'estrazione di database su larga scala, uno degli obiettivi pratici più importanti del settore. Se i sistemi di posizionamento geografico, i telefoni cellulari, i motori di ricerca e i circuiti integrati del futuro sono di gran lunga più precisi o affidabili di quelli odierni, potrebbe essere il risultato degli sforzi pionieristici dell'informatica quantistica in corso proprio ora nei laboratori di tutto il mondo.

L'industria elettronica, naturalmente, se ne è accorta. IBM sponsorizza la ricerca sull'informatica quantistica presso il suo Almaden Research Center alla periferia della Silicon Valley, dove Chuang ha svolto il suo lavoro iniziale, nonché presso il suo fiore all'occhiello Thomas J. Watson Research Center a Yorktown Heights, NY. Hewlett-Packard supporta la ricerca sull'informatica quantistica nei suoi laboratori di Palo Alto, in California, e di Bristol, in Inghilterra. E l'industria dei semiconduttori, che è diventata maggiorenne insieme ai progressi nell'elettronica dell'informatica classica, sta tenendo d'occhio gli sviluppi nel campo, per prepararsi meglio all'era post-legge di Moore, quando la miniaturizzazione dei circuiti elettronici classici urta contro i limiti fisici. Gli esperti prevedono che ciò accadrà entro i prossimi due decenni.

I progressi sono stati lenti, ma costanti, afferma David P. DiVincenzo del Watson lab di IBM. Due o tre anni fa sono stati avviati alcuni sforzi significativi che iniziano a dare i loro frutti.

Molteplici realtà

Qualunque sia l'approccio tecnologico, l'obiettivo dell'informatica quantistica è sfruttare la stessa qualità della meccanica quantistica che i progettisti di computer classici cercano strenuamente di evitare: la sua pura stranezza.

I circuiti logici dei computer tradizionali, ad esempio, funzionano rilevando discrete differenze nella tensione che passa attraverso le porte elettroniche: un'alta tensione indica uno binario e una bassa tensione indica uno zero. L'informazione binaria può essere rappresentata anche dallo spin di un elettrone o dalla polarità di un fotone. Ma poiché queste particelle esistono nel regno quantistico, che è caratterizzato da distanze infinitamente brevi, velocità quasi della luce e livelli di energia estremamente bassi, i loro stati non possono sempre essere individuati come strettamente uno o zero. Elettroni e fotoni possono comportarsi come onde piuttosto che come particelle, sembrano occupare più di un posto alla volta e simultaneamente mostrano stati incompatibili: lo spin di un elettrone, ad esempio, può essere sia su che giù, una condizione che la meccanica quantistica chiama sovrapposizione. In termini di calcolo, il qubit può essere uno e zero contemporaneamente.

Il secondo fenomeno importante per l'informatica quantistica è l'entanglement, in cui si creano due o più particelle con proprietà reciprocamente dipendenti: quando, ad esempio, un singolo fotone viene trasformato in due particelle complementari da un divisore di fascio ottico. Misurare le proprietà di una particella determina istantaneamente lo stato dell'altra, anche se al momento della misurazione le due sono separate l'una dall'altra da distanze galattiche. (Einstein notoriamente ha deriso questo fenomeno come azione spettrale a distanza.)

È stato a lungo creduto che questi fenomeni potessero essere impiegati per risolvere problemi computazionali oltre la portata della tecnologia tradizionale. Un singolo bit quantistico che può trovarsi in due stati contemporaneamente può svolgere il lavoro di due bit classici che operano in parallelo. (Solo quando la particella viene misurata o osservata tutte le possibilità si risolvono in un'unica realtà classica.) Due qubit entangled, nel frattempo, possono valutare simultaneamente quattro input. In altre parole, un registro di memoria tradizionale con otto bit può memorizzare solo una delle possibili 28 o 256 parole digitali, ma un registro quantistico con otto qubit può rappresentare e calcolare con tutte le 256 parole contemporaneamente.

Tali nozioni generali sono state articolate da Richard Feynman, tra gli altri, già negli anni '80. Per anni, tuttavia, nessuno aveva un'idea chiara di come potessero essere applicati a problemi reali. Nel 1994 il matematico Peter W. Shor di AT&T Bell Labs descrisse un algoritmo, o programma, che dimostrava che un computer quantistico poteva fattorizzare grandi numeri in modo esponenziale più velocemente di qualsiasi metodo convenzionale noto.

La scoperta di Shor è stata importante perché la fattorizzazione è esattamente il tipo di problema che travolge i computer convenzionali: man mano che un numero cresce, le risorse necessarie per fattorizzarlo si espandono rapidamente. Scomporre in fattori il numero sei è banale, ma gli esperti stimano che ci vorrebbe tutti i supercomputer del mondo più lunghi dell'età dell'universo conosciuto per trovare i fattori di un numero con 300 cifre.

Il factoring, inoltre, è un problema matematico con applicazioni del mondo reale. La stessa intrattabilità del factoring di grandi numeri è al centro della crittografia moderna, che si basa su di essa per creare chiavi indistruttibili. L'algoritmo di Shor rappresentava sia un pugnale nel cuore dei codici indistruttibili vecchio stile, sia un cartello che indicava una nuova classe di codici veramente infrangibili. In effetti, molti esperti di informatica quantistica prevedono che la crittografia quantistica sarà la prima applicazione commerciale ad emergere dalla scienza nascente, e sono già state costituite almeno tre società per commercializzare sistemi di comunicazione sicuri basati sul factoring quantistico ( vedere Crittografia quantistica , TR febbraio 2003 ).

Oltre i codici sicuri

allo stesso tempo, il lavoro di shor ha provocato un'ondata di interesse per altre possibili applicazioni dell'informatica quantistica. Dopo il primo risultato di Shor, afferma l'informatico Wim van Dam di HP Labs, tutti erano molto ottimisti sul fatto che avremmo trovato moltissimi algoritmi per i quali il calcolo quantistico sarebbe stato utile. Ma per la maggior parte degli anni '90, tali app killer sono rimaste inafferrabili. Per un po', gli scienziati hanno temuto che il problema del factoring sarebbe stato l'unico vantaggio del calcolo quantistico.

Negli ultimi due anni, tuttavia, una migliore comprensione di come funzionano i qubit ha stimolato una nuova ricerca di problemi che i qubit sono particolarmente adatti a risolvere. Edward Farhi del Center for Theoretical Physics del MIT è tra coloro che hanno intrapreso questo lavoro. L'obiettivo principale del nostro interesse, dice Farhi, è se avessi un computer quantistico perfettamente funzionante, cosa ne faresti?

Farhi e i suoi colleghi hanno identificato una serie di calcoli generali, anche se astratti, che i computer quantistici possono completare molto più velocemente dei computer classici. Uno è un problema di navigazione in cui un viaggiatore senza mappa né guida si sposta dal punto di partenza alla destinazione attraverso percorsi casuali che si diramano da un dato numero di stazioni di passaggio. Non sorprendendo nessuno, il team di Farhi ha dimostrato che in tali condizioni, il tempo necessario a un computer classico per trovare una via dal punto A puntare B si espande esponenzialmente come il numero di punti di ramificazione tra A e B aumenta. Al contrario, un computer quantistico percorrerebbe tutti i percorsi possibili contemporaneamente, trovando in modo affidabile la sua strada attraverso il labirinto in un lasso di tempo che si espande solo aritmeticamente con la complessità del labirinto.

Sono un po' soddisfatto di questa cosa anche se è un po' artificiale, dice Farhi. Ciò che distingue il problema di Farhi dal famoso problema del commesso viaggiatore e da altri enigmi logistici è che il viaggiatore non ha una mappa e quindi solo una conoscenza limitata del percorso. Ma nel mondo reale, è probabile che un viaggiatore abbia una mappa che mostra tutti i percorsi possibili e la sfida è trovare il percorso più efficiente. Tutto ciò che fa un computer quantistico è attraversare tutti i percorsi contemporaneamente per arrivare rapidamente a destinazione, ma non produrrà un percorso particolare. Quindi non è ancora chiaro se il lavoro di Farhi punti a un'applicazione pratica. Questo è un trampolino di lancio per un esempio migliore, dice Farhi speranzoso. Immagino che si possa dire che stiamo cercando un esempio del mondo reale.

Un uso più probabile dell'informatica quantistica potrebbe essere nelle ricerche nei database. Nel 1996 Lov Grover, un ricercatore di scienze fisiche presso i Bell Labs di Lucent Technologies, ha sviluppato un algoritmo che ha mostrato come l'informatica quantistica potrebbe accelerare enormemente le ricerche: un computer classico che cerca in un elenco telefonico con, diciamo, un milione di voci sarebbe in media di circa cinquecentomila tenta di trovare un singolo numero di telefono specificato. Un computer quantistico richiederebbe solo mille tentativi.

Il punto è, dice Farhi, che l'accelerazione quantistica non è universale. Quindi trovare problemi per i quali è vantaggioso è un'arte.

Trapper Qubit

Mentre farhi e i suoi colleghi stanno determinando cosa si può fare con un computer quantistico, altri sono al lavoro per progettare l'hardware stesso.

DiVincenzo di IBM afferma che un computer quantistico pratico deve avere cinque capacità fondamentali: deve fornire qubit-particelle o gruppi di particelle che possono essere isolate e poste in sovrapposizione, lo stato indeterminato in cui rappresentano sia uno che zero. Deve essere possibile per gli operatori controllare gli stati iniziali dei qubit, analogamente a impostarli tutti a zero all'inizio di un calcolo. I qubit devono rimanere stabili in sovrapposizione abbastanza a lungo da eseguire un'operazione, da millisecondi a diversi secondi. Deve essere possibile implementare circuiti logici quantistici che corrispondano a operatori booleani come e , o , e non , che costituiscono la base dell'architettura informatica tradizionale. Nei computer classici queste espressioni sono incorporate nei circuiti elettrici. La porta logica più semplice, la non porta, converte uno digitale in ingresso in uno zero e viceversa. Per manipolare i qubit, i circuiti quantistici dovranno impiegare tecniche come il controllo estremamente preciso dei campi magnetici o degli impulsi laser.

Il requisito finale di un computer quantistico è che renda i risultati di un calcolo accessibili all'utente, attraverso, ad esempio, una lettura visiva.

La maggior parte degli esperimenti di informatica quantistica si riduce a sforzi che affrontano uno o più requisiti di DiVincenzo. Probabilmente ci sono una mezza dozzina di proposte serie e 10 volte quel numero che non sono serie, dice Bruce Kane, specializzato nella scienza dei dispositivi a singolo elettrone presso l'Università del Maryland.

Chuang e Gershenfeld, ad esempio, hanno utilizzato la risonanza magnetica nucleare per misurare lo spin dei qubit in materiali sfusi, una fiala contenente un miliardo di miliardi di molecole realizzate su misura con fluoro, carbonio, ferro, idrogeno e ossigeno. Gli spin dei nuclei dei cinque atomi di fluoro e di due atomi di carbonio in ciascuna molecola hanno funzionato come qubit interagenti per eseguire l'algoritmo di Shor. Sebbene il successo di Chuang e Gershenfeld nel controllare e misurare gli spin di sette qubit sia stato ampiamente acclamato, molti nel campo ritengono che lo scale-up di questo approccio sarà estremamente difficile. Il limite è che ogni volta che si aggiungono qubit, il rapporto segnale/rumore diminuisce, afferma Kane, riferendosi alla quantità di informazioni utili, come l'eccesso di particelle con uno spin su particelle con spin diverso, che possono essere distinte da quelle casuali. disturbi nel materiale fluorocarbonico sfuso.

Lo stesso Chuang riconosce che il suo computer quantistico a sette bit è molto al di sotto della scala necessaria per calcoli significativi. Per renderlo pratico, dovremo arrivare a migliaia, se non centinaia di migliaia, di qubit, dice. Un approccio rivale che utilizza tecniche ingegneristiche su nanoscala per costruire contenitori di qubit, aggiunge, potrebbe essere più facile da scalare.

David J. Wineland e il suo team stanno studiando questa alternativa presso la Time and Frequency Division del National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti a Boulder, CO. Stanno costruendo dispositivi in ​​miniatura utilizzando elettrodi che isolano gli ioni in trappole modellate da campi elettrici. La virtù di questo approccio, afferma Wineland, è che le trappole ioniche sono relativamente facili da fabbricare, possono essere collegate tra loro e possono contenere più di uno ione per trappola. Wineland suggerisce che una stringa di ioni confinati in una singola trappola potrebbe funzionare come una sorta di memoria quantistica, e ogni qubit aggiuntivo espanderebbe la capacità di archiviazione in modo esponenziale. Il gruppo di Wineland ha già convinto tali qubit a rimanere in uno stato di sovrapposizione fino a 10 minuti. Ma una debolezza attuale in questo schema è che è difficile trasferire informazioni quantistiche tra ioni tenuti in trappole separate, una necessità per calcoli su larga scala.

Spinoff quantistici

la creazione di qubit che interagiscono e rimangono in sovrapposizione abbastanza a lungo da rendersi utili occuperà i ricercatori di informatica quantistica per gli anni a venire. Tuttavia, stanno emergendo vantaggi pratici poiché gli scienziati sfruttano i fenomeni alla base dell'informatica quantistica in campi correlati.

Al NIST, la cui missione istituzionale include la definizione di standard per la misurazione del tempo, l'interesse di Wineland per il calcolo quantistico ha preceduto persino l'algoritmo di Shor. Stavamo iniziando a pensare a come utilizzare l'entanglement quantistico per migliorare il rapporto segnale-rumore negli orologi atomici, spiega. Sapevamo che esisteva uno stato di entanglement quantistico che poteva migliorare l'orologio e le idee del calcolo quantistico hanno mostrato come realizzarlo. In parole povere, gli orologi atomici di oggi funzionano prendendo la media delle letture simultanee dei campi magnetici oscillanti di oltre un milione di atomi di cesio; l'entanglement quantistico potrebbe ridurre il tempo necessario per calcolare quella media e migliorare la precisione consentendo di eseguire molte letture contemporaneamente.

Dowling del Jet Propulsion Laboratory aggiunge che l'entanglement quantistico può fornire un modo migliore per sincronizzare gli orologi terrestri con quelli nello spazio. Attualmente, la sincronizzazione terra-spazio, che viene spesso effettuata via radio, viene espulsa, anche se minuziosamente, dalla rifrazione atmosferica e da altri effetti. Poiché i fotoni entangled sono collegati a livello quantistico, sono immuni a questi disturbi fisici. Sarebbe davvero un grosso problema eliminare quegli [effetti], dice Dowling. Suggerisce di inviare particelle entangled ai siti da sincronizzare. Misurare una particella farebbe istantaneamente ticchettare l'altra, dice Dowling. Avendo calibrato i loro orologi in base alle particelle di ticchettio, gli operatori avrebbero saputo che gli orologi erano d'accordo.

Per evitare che qualcuno pensi che i perfezionamenti su scala quantistica della misurazione del tempo siano solo di interesse accademico, va notato che il cronometraggio atomico è la base dei sistemi di posizionamento geografico, delle tecnologie di localizzazione satellitare e delle reti di comunicazione mobile, che sono sincronizzate al secondo. La storia ha dimostrato per sempre che ogni volta che c'è un orologio migliore, viene utilizzato, dice Wineland. È una buona scommessa che la tendenza continuerà.

Gli scienziati dell'industria, nel frattempo, stanno cercando modi per avviare il calcolo quantistico collegandolo con le tecnologie convenzionali in cui hanno più esperienza. L'anno scorso Hewlett-Packard ha stretto un'alleanza di lavoro da 2,5 milioni di dollari con Gershenfeld e Chuang per, come afferma lo scienziato senior di HP Labs Philip Kuekes, unire le nostre rispettive competenze. HP è incuriosita, ad esempio, dalla possibilità di trasmettere bit quantistici tramite normali linee in fibra ottica, migliaia di chilometri delle quali sono installate ma sottoutilizzate in tutto il paese. In realtà è piuttosto interessante, dice Kuekes. La trasmissione a lunga distanza di informazioni quantistiche, potenziata dalle caratteristiche dell'entanglement quantistico, consentirebbe ai corrispondenti di condividere le chiavi di codice senza temere che vengano compromesse. Ciò significa, aggiunge, che una delle cose che potrebbero accadere abbastanza presto è la crittografia quantistica.

Sebbene, come dimostrato dalla ricerca, i qubit possano essere trasmessi su linee in fibra ottica, le trasmissioni funzionano per non più di decine di chilometri alla volta. L'invio di qubit attraverso i continenti o gli oceani, afferma Kuekes, richiederebbe un sistema di switch e ripetitori quantistici analoghi alle versioni a stato solido che aiutano a spostare i dati su Internet. Questi equivarrebbero a semplici computer quantistici dotati di software di correzione degli errori in grado di compensare l'inevitabile perdita di sovrapposizione tra molti dei qubit in viaggio. Lo sviluppo di questo software è uno degli obiettivi principali della ricerca di HP Labs.

In un esempio scientifico dell'essere il bambino il padre dell'uomo, la ricerca applicata ha prodotto alcuni benefici accessori anche nella scienza madre della meccanica quantistica. Gli strumenti necessari per perfezionare l'informatica quantistica, si scopre, aiutano anche a dimostrare il comportamento delle particelle che i fisici, fino ad ora, hanno ipotizzato solo in teoria.

C'è un bellissimo ritorno dall'altra parte, dice John Preskill, professore di fisica teorica al Caltech. L'interesse per l'informatica quantistica ha ispirato molte scienze interessanti. Siamo molto lontani da un crash program in ingegneria, ma stiamo entrando in una nuova era nella fisica della materia condensata.

Questo è in gran parte il risultato del requisito dell'informatica quantistica che i qubit siano controllati e misurati con una precisione senza precedenti. La tradizione nella fisica della materia condensata è stata quella di fare esperimenti su insiemi, cioè enormi quantità di atomi il cui comportamento quantistico può essere identificato statisticamente, dice Preskill. Normalmente non misuri il comportamento dei singoli elettroni.

In particolare, gli esperimenti di Wineland al NIST, dice Preskill, hanno offerto ai fisici una finestra senza precedenti sui comportamenti delle singole particelle. La scomposizione dei qubit in classici uno o zero, ad esempio, è un fenomeno che, in passato, gli scienziati potevano dedurre solo osservando intere nuvole di elettroni o fotoni. Il segnale medio delle nuvole indicherebbe se alcune particelle hanno cambiato il loro stato quantico, ma non vedresti davvero il comportamento delle singole particelle, dice Preskill. È davvero un nuovo tipo di esperimento.

Preskill, come altri nel settore, avverte che è necessario rispondere a molte domande e risolvere i problemi critici prima che l'informatica quantistica possa andare oltre le sue attuali applicazioni elementari. Se questo campo sarà ancora così eccitante tra 10 anni, non posso dirlo, ammette. Ma per ora, il campo sembra fresco e nuovo. Di nuovo.

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