Velocità di clock ridotte e quantistiche

Il computer più veloce del mondo è il supercomputer Tianhe-2 presso il National Super Computer Center di Guangzhou, in Cina. È composto da 16.000 nodi di computer, ciascuno con due processori Intel Ivy Bridge Xeon e tre coprocessori Xeon Phi. Insieme, questi lo rendono capace di 33,86 quadrilioni di calcoli in virgola mobile al secondo, più di qualsiasi altra macchina informatica sul pianeta.

Chiaramente, le risorse disponibili per eseguire un calcolo sono il fattore cruciale per le sue prestazioni e il numero di calcoli al secondo è una buona guida alla potenza di un computer.

Ma quantificare la potenza di un computer quantistico è molto più difficile. Questi dispositivi informatici possono eseguire calcoli che vanno oltre la comprensione delle normali macchine di elaborazione. Eppure le risorse di cui hanno bisogno per fare questo trucco sono poco conosciute.

Certamente il numero di bit quantistici in gioco è cruciale, ma lo è anche la quantità di entanglement che il calcolo comporta. E questo porta a un enigma: alcuni tipi di calcolo quantistico richiedono alti livelli di entanglement mentre altri non richiedono quasi nessuno per fare cose simili. Allora, qual è la risorsa che conferisce ai calcoli quantistici il loro potere speciale?

Oggi, riceviamo una sorta di risposta grazie al lavoro di Nana Liu all'Università di Oxford nel Regno Unito e ad alcuni amici che hanno trovato un modo per valutare le prestazioni dei computer quantistici utilizzando un singolo parametro che funziona come una specie di velocità di clock. Ciò consente per la prima volta di confrontare diversi tipi di calcolo quantistico in condizioni di parità.

Prima un po' di background. L'idea di base alla base del calcolo quantistico è che un oggetto quantistico può esistere in una sovrapposizione di stati e quindi come 0 e 1 allo stesso tempo. Queste informazioni possono essere combinate con quelle trasportate da un altro oggetto quantistico per eseguire un calcolo. Ma invece di un singolo calcolo, un calcolo quantistico consente a due o più calcoli di procedere contemporaneamente, uno per ciascuno dei numeri in sovrapposizione.

Questa è l'origine dell'accelerazione possibile con i computer quantistici. E mentre un bit quantistico può gestire due numeri, due bit quantistici possono gestire quattro numeri, tre qubit otto numeri, quattro qubit 16 numeri e così via. Quindi i calcoli quantistici scalano esponenzialmente con il numero di qubit.

Ma c'è un altro fattore in questo: il modo in cui i qubit sono combinati e manipolati. Un modo per farlo è entangle i qubit. L'entanglement è il curioso processo in cui due oggetti quantistici diventano così strettamente collegati da condividere la stessa esistenza. Quindi una misurazione eseguita su uno influenza istantaneamente l'altro, non importa quanto lontano.

Ciò consente di eseguire calcoli, come il factoring, a velocità tali da far sembrare la Tianhe-2 una calcolatrice tascabile. (Almeno in teoria. I fisici non hanno ancora superato le sfide tecniche significative nella costruzione di potenti computer quantistici.)

Ma in alcuni tipi di calcolo quantistico, sembra necessario pochissimo o nessun entanglement. Un esempio notevole è chiamato calcolo quantistico deterministico con un qubit. Questo può risolvere alcuni tipi di calcolo più velocemente di qualsiasi computer ordinario. Ma nessuno sa quanto più o meno potente questo tipo di calcolo sia paragonato, diciamo, al factoring quantistico, perché non c'è mai stato un modo per confrontarli. Finora.

Lui e i suoi hanno scoperto un modo completamente nuovo di eseguire calcoli quantistici che consente per la prima volta di confrontare i diversi tipi di calcolo. Il loro approccio si basa su un fenomeno chiamato spremitura quantistica. Questo è un modo per manipolare i fotoni entangled per ridurre il rumore del vuoto di fondo ad essi associato.

Il trucco si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg: è possibile misurare accuratamente la posizione di un fotone o la sua quantità di moto, ma non entrambi contemporaneamente. Lo stesso vale per altre proprietà quantistiche come l'energia e il tempo o l'angolo e il momento angolare: c'è sempre un compromesso nel conoscere l'una o l'altra.

Questo principio consente ai fisici di ridurre il rumore associato ai fotoni entangled quando vengono rilevati, rendendoli meno misurabili in altri luoghi, un processo noto come compressione quantistica. Questo è estremamente importante perché la riduzione della quantità di rumore consente di effettuare misurazioni molto più precise. E la quantità di compressione è esattamente quantificabile, quindi è facile vedere quanto di questa proprietà quantistica è in uso.

Questo ha dato a Liu e co un'idea. Poiché molte forme di calcolo quantistico coinvolgono i fotoni, hanno sostituito i fotoni ordinari con versioni compresse. La quantistica coinvolta in ogni calcolo potrebbe quindi essere quantificata esattamente dalla quantità di compressione richiesta per eseguirli. Liu e co l'hanno misurato in qumodes, da cui il titolo dell'articolo.

I risultati costituiscono una lettura interessante. Liu e colleghi affermano che il calcolo quantistico deterministico con un qubit richiede zero squeezing e quindi si trova in fondo alla gerarchia delle velocità di clock quantistiche.

Al contrario, la quantità di compressione necessaria per la fattorizzazione quantistica dipende dalla dimensione del numero da fattorizzare. In effetti, la quantità di compressione aumenta esponenzialmente all'aumentare del numero.

Ciò consente per la prima volta di confrontare queste due forme di calcolo quantistico. Questo introduce una nuova prospettiva in cui pensare alle gerarchie negli algoritmi quantistici, affermano Liu e co.

Dovrebbe essere utile in futuro. E c'è un corollario interessante che coinvolge il calcolo quantistico ora svolto da organizzazioni come Google e la NASA per gentile concessione di un dispositivo informatico venduto da una società chiamata D-Wave Systems.

Questa macchina utilizza la ricottura quantistica per calcolare, ma è estremamente controversa. D-Wave insiste sul fatto che la macchina è esponenzialmente più veloce dei computer convenzionali per alcuni tipi di calcolo. Ma molti fisici sono profondamente scettici, affermando che manca della quantistica essenziale necessaria per eseguire le affermate prodezze computazionali.

Forse il nuovo approccio di spremitura quantistica può aiutare. Se fornisce un modo equo per confrontare le prestazioni della macchina di D-Wave con altre forme di calcolo quantistico, allora questo dibattito potrebbe essere messo a tacere. E questo dovrebbe consentire di dire con certezza se questa tecnica porterà mai a una macchina più potente di Tianhe-2.

Rif: arxiv.org/abs/1510.04758 : Il potere di One Qumode

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