211service.com
Spiegatore: cos'è un computer quantistico?
Immagine per gentile concessione di Rigetti Informatica. Foto di Justin Fantl.
Questo è il primo di una serie di spiegazioni sulla tecnologia quantistica. Gli altri due riguardano la comunicazione quantistica e la crittografia post-quantistica.
Un computer quantistico sfrutta alcuni dei fenomeni quasi mistici della meccanica quantistica per fornire enormi balzi in avanti nella potenza di elaborazione. Le macchine quantistiche promettono di superare anche i più potenti supercomputer di oggi e di domani.
Tuttavia, non cancelleranno i computer convenzionali. L'utilizzo di una macchina classica sarà comunque la soluzione più semplice ed economica per affrontare la maggior parte dei problemi. Ma i computer quantistici promettono di alimentare progressi entusiasmanti in vari campi, dalla scienza dei materiali alla ricerca farmaceutica. Le aziende stanno già sperimentando con loro per sviluppare cose come batterie più leggere e più potenti per le auto elettriche e per aiutare a creare nuovi farmaci.
Il segreto della potenza di un computer quantistico risiede nella sua capacità di generare e manipolare bit quantistici, o qubit.
Che cos'è un qubit?
I computer di oggi usano i bit, un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano uno s o 0 S. Tutto, dai tuoi tweet ed e-mail alle tue canzoni di iTunes e ai video di YouTube, sono essenzialmente lunghe stringhe di queste cifre binarie.
I computer quantistici, d'altra parte, utilizzano qubit, che sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni. La generazione e la gestione di qubit è una sfida scientifica e ingegneristica. Alcune aziende, come IBM, Google e Rigetti Computing, utilizzano circuiti superconduttori raffreddati a temperature più basse dello spazio profondo. Altri, come IonQ, intrappolano singoli atomi in campi elettromagnetici su un chip di silicio in camere ad altissimo vuoto. In entrambi i casi, l'obiettivo è isolare i qubit in uno stato quantistico controllato.
I qubit hanno alcune strane proprietà quantistiche che significano che un gruppo connesso di essi può fornire molta più potenza di elaborazione rispetto allo stesso numero di bit binari. Una di queste proprietà è nota come sovrapposizione e un'altra è chiamata entanglement.
Cos'è la sovrapposizione?
I qubit possono rappresentare numerose possibili combinazioni di uno e 0 allo stesso tempo. Questa capacità di trovarsi simultaneamente in più stati è chiamata sovrapposizione. Per mettere i qubit in sovrapposizione, i ricercatori li manipolano usando laser di precisione o raggi a microonde.
Grazie a questo fenomeno controintuitivo, un computer quantistico con diversi qubit in sovrapposizione può analizzare un vasto numero di potenziali risultati contemporaneamente. Il risultato finale di un calcolo emerge solo una volta misurati i qubit, il che provoca immediatamente il collasso del loro stato quantistico in uno dei due uno o 0 .
Cos'è l'entanglement?
I ricercatori possono generare coppie di qubit che sono entangled, il che significa che i due membri di una coppia esistono in un unico stato quantistico. La modifica dello stato di uno dei qubit cambierà istantaneamente lo stato dell'altro in modo prevedibile. Questo accade anche se sono separati da distanze molto lunghe.
Nessuno sa davvero come o perché funziona l'entanglement. Ha persino sconcertato Einstein, che notoriamente lo ha descritto come un'azione spettrale a distanza. Ma è la chiave del potere dei computer quantistici. In un computer convenzionale, il raddoppio del numero di bit raddoppia la sua potenza di elaborazione. Ma grazie all'entanglement, l'aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica produce un aumento esponenziale della sua capacità di sgranocchiare i numeri.
I computer quantistici sfruttano i qubit aggrovigliati in una sorta di catena a margherita quantistica per far funzionare la loro magia. La capacità delle macchine di accelerare i calcoli utilizzando algoritmi quantistici appositamente progettati è il motivo per cui c'è così tanto clamore sul loro potenziale.
Questa è la buona notizia. La cattiva notizia è che le macchine quantistiche sono molto più soggette a errori rispetto ai computer classici a causa della decoerenza.
Cos'è la decoerenza?
L'interazione dei qubit con il loro ambiente in modi che causano il decadimento e la scomparsa del loro comportamento quantistico è chiamata decoerenza. Il loro stato quantistico è estremamente fragile. La minima vibrazione o cambiamento di temperatura, disturbi noti come rumore nel linguaggio quantistico, possono farli cadere dalla sovrapposizione prima che il loro lavoro sia stato svolto correttamente. Ecco perché i ricercatori fanno del loro meglio per proteggere i qubit dal mondo esterno in quei frigoriferi superraffreddati e nelle camere sottovuoto.
Ma nonostante i loro sforzi, il rumore provoca ancora molti errori che si insinuano nei calcoli. Gli algoritmi quantistici intelligenti possono compensare alcuni di questi e anche l'aggiunta di più qubit aiuta. Tuttavia, ci vorranno probabilmente migliaia di qubit standard per crearne uno singolo altamente affidabile, noto come qubit logico. Ciò indebolirà gran parte della capacità computazionale di un computer quantistico.
E c'è il problema: finora, i ricercatori non sono stati in grado di generare più di 128 qubit standard (vedi il nostro contatore di qubit qui ). Quindi mancano ancora molti anni per ottenere computer quantistici che saranno ampiamente utili.
Ciò non ha intaccato le speranze dei pionieri di essere i primi a dimostrare la supremazia quantistica.
Cos'è la supremazia quantistica?
È il punto in cui un computer quantistico può completare un calcolo matematico che è dimostrabilmente al di là della portata anche del più potente supercomputer.
Non è ancora chiaro esattamente quanti qubit saranno necessari per raggiungere questo obiettivo, perché i ricercatori continuano a trovare nuovi algoritmi per aumentare le prestazioni delle macchine classiche e l'hardware di supercalcolo continua a migliorare. Ma ricercatori e aziende stanno lavorando duramente per rivendicare il titolo, eseguendo test contro alcuni dei supercomputer più potenti del mondo.
C'è un sacco di dibattito nel mondo della ricerca su quanto sarà significativo il raggiungimento di questo traguardo. Piuttosto che aspettare che venga dichiarata la supremazia, le aziende stanno già iniziando a sperimentare computer quantistici realizzati da aziende come IBM, Rigetti e D-Wave, un'azienda canadese. Anche aziende cinesi come Alibaba offrono l'accesso alle macchine quantistiche. Alcune aziende stanno acquistando computer quantistici, mentre altre stanno utilizzando quelli messi a disposizione tramite i servizi di cloud computing.
Dove è probabile che un computer quantistico sia più utile per primo?
Una delle applicazioni più promettenti dei computer quantistici è la simulazione del comportamento della materia fino al livello molecolare. Le case automobilistiche come Volkswagen e Daimler stanno utilizzando computer quantistici per simulare la composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici per trovare nuovi modi per migliorare le loro prestazioni. E le aziende farmaceutiche li stanno sfruttando per analizzare e confrontare i composti che potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci.
Le macchine sono ottime anche per problemi di ottimizzazione perché possono elaborare un gran numero di potenziali soluzioni in modo estremamente veloce. Airbus, ad esempio, li sta utilizzando per aiutare a calcolare i percorsi di salita e discesa più efficienti in termini di carburante per gli aerei. E Volkswagen ha presentato un servizio che calcola i percorsi ottimali per autobus e taxi nelle città al fine di ridurre al minimo la congestione. Alcuni ricercatori pensano anche che le macchine potrebbero essere utilizzate per accelerare l'intelligenza artificiale.
Potrebbero volerci parecchi anni prima che i computer quantistici raggiungano il loro pieno potenziale. Le università e le imprese che ci lavorano si trovano ad affrontare una carenza di ricercatori qualificati nel campo e una mancanza di fornitori di alcuni componenti chiave. Ma se queste nuove macchine informatiche esotiche manterranno le loro promesse, potrebbero trasformare interi settori e dare impulso all'innovazione globale.