Una spinta quantistica per un diverso tipo di computer

S. Debnath

I computer quantistici in grado di eseguire calcoli sbalorditivi sono finalmente all'orizzonte. Ma come saranno le prime macchine utili?

Colpitori pesanti del settore compresi IBM , Google , microsoft , e Intel , così come alcune startup come Rigetti Computing e Quantum Circuits Incorporated , stanno tutti facendo progressi costanti verso computer quantistici più capaci utilizzando circuiti superconduttori raffreddati a temperature estreme.

Nel frattempo, due team di ricerca hanno dimostrato che un approccio largamente ignorato dall'industria, che utilizza atomi intrappolati per eseguire calcoli, può essere scalato fino a un nuovo livello di complessità e utilizzato per eseguire lavori preziosi. I sistemi risultanti non sono computer quantistici universali in grado di eseguire qualsiasi calcolo, ma suggeriscono che un approccio atomico potrebbe avere più potenziale del presunto. Il lavoro suggerisce anche che gli atomi potrebbero in definitiva offrire un modo migliore per trasformare i sistemi di laboratorio in pratici computer quantistici su larga scala.

L'approccio dei superconduttori si è dimostrato efficace in parte perché le tecniche ingegneristiche utilizzate per fabbricare circuiti in silicio sono state affinate negli ultimi decenni (vedi 10 Breakthrough Technologies 2017: Practical Quantum Computers). Ma è possibile costruire un computer quantistico utilizzando un'ampia gamma di approcci.

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In Due carte pubblicato oggi sulla rivista Natura , un team del MIT e di Harvard a Cambridge, Massachusetts, e un altro dell'Università del Maryland e del National Institute of Standards di Washington DC, rivelano di aver costruito tipi specializzati di calcolatrice quantistica, ognuno dei quali utilizza più di 50 qubit, beh al di là di quanto dimostrato in precedenza. In entrambi i casi, i ricercatori hanno creato simulatori quantistici, macchine in grado di utilizzare calcoli analogici per modellare il modo in cui interagiscono le particelle quantistiche.

I due sistemi utilizzano entrambi atomi ma funzionano in modi diversi. Il sistema MIT-Harvard gestisce 51 qubit utilizzando i laser per intrappolare atomi neutri in uno stato eccitato. La macchina Maryland-NIST, che gestisce 53 qubit, intrappola gli ioni di itterbio in posizione utilizzando elettrodi rivestiti in oro. Insieme, suggeriscono che un approccio alternativo alla costruzione di macchine quantistiche potrebbe ancora avere il potenziale per sfidare quello perseguito dall'industria.

Sebbene il nostro sistema non costituisca ancora un computer quantistico universale, possiamo programmarlo efficacemente controllando le interazioni tra i qubit, afferma Michele Lukin , un fisico di Harvard che ha sviluppato sui sistemi in collaborazione con Vladan Vuletic al MIT.

Will Zeng, ricercatore presso Rigetti Computing, un'azienda che ha ricevuto decine di milioni di fondi di venture capital per perseguire l'informatica quantistica, afferma che la simulazione quantistica su questa scala è un passo significativo. In effetti, la simulazione degli effetti quantistici era lo scopo originale di un computer quantistico proposto dal fisico Richard Feynman più di 40 anni fa. Ora gli scienziati sono in grado di mostrare alcune delle potenzialità insite nei computer quantistici, quindi i risultati sono entusiasmanti, dice.

I computer quantistici funzionano in modo fondamentalmente diverso dai computer convenzionali. Mentre un normale computer prende bit binari di informazioni, codificati come entrambi uno o 0 , ed esegue calcoli su di essi uno dopo l'altro, un computer quantistico sfrutta due caratteristiche controintuitive del meccanismo quantistico - entanglement e sovrapposizione - per eseguire calcoli in parallelo. Di conseguenza, può calcolare con grandi quantità di informazioni in molto meno tempo. Diverse dozzine di bit quantistici possono eseguire calcoli su miliardi di informazioni in un solo passaggio.

La tecnologia è rimasta un sogno irrealizzabile tra i fisici per anni, ma ha indubbiamente un potenziale enorme. Ora cresce l'entusiasmo per la costruzione finalmente di macchine in grado di svolgere un lavoro utile.

Il benchmark a 50 qubit è significativo perché a quel punto le macchine quantistiche diventano in grado di eseguire calcoli che sarebbero difficili, se non impossibili, da eseguire anche sul più enorme supercomputer disponibile. Alcuni scienziati si riferiscono a questo come supremazia quantistica (vedi Google Reveals a Blueprint for Quantum Supremacy e IBM Raises the Bar with a 50-Qubit Quantum Computer). Sia IBM che Google stanno sviluppando computer quantistici superconduttori per uso generale in grado di utilizzare circa lo stesso numero di qubit.

Forse più significativo, i qubit nei nuovi sistemi atomici potrebbero essere più adatti per aumentare, dice Chris Monroe , professore all'Università del Maryland e autore principale di uno dei documenti. I qubit nei sistemi a stato solido non sono identici, il che significa che un sistema deve essere accuratamente calibrato e questo può essere complicato man mano che le dimensioni di una macchina crescono. Al contrario, i qubit realizzati utilizzando atomi, sebbene più difficili da controllare, sono identici e non necessitano di ottimizzazione. Gli atomi sono, in un certo senso, il qubit perfetto, dice Monroe. Aggiunge che i sistemi atomici potrebbero rivelarsi più facili da riconfigurare, rendendoli più adatti ad affrontare una gamma più ampia di problemi.

Questo non vuol dire che costruire sistemi quantistici più grandi e pratici sarà facile per chiunque. Pensiamo di poter arrivare a circa un migliaio di bit quantici in un modo semplice, ma la situazione è meno chiara al di là di questo, afferma Vuletic.

Altrettanto importante, stiamo solo ottenendo suggerimenti su quanto saranno davvero utili i computer quantistici. In uno studio fondamentale pubblicato lo scorso settembre, un team di IBM ha utilizzato un computer quantistico, chiamato IBM Q, per simulare la struttura dell'idruro di berillio, la molecola più complessa mai analizzata in questo modo.

Probabilmente non sapremo di cosa sono capaci queste macchine fino a quando molti più ingegneri e programmatori non ci metteranno le mani sopra. Stiamo iniziando a passare dall'era della fisica all'ingegneria quantistica, afferma Monroe di UMD.

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