Quantum computing per il qubit curious

Che cos’è l’informatica quantistica? I computer regolari funzionano secondo rigide regole logiche. Ma minuscoli oggetti quantistici – come elettroni o fotoni di luce-possono infrangere quelle regole

L’informatica quantistica è l’idea che possiamo usare questa violazione delle regole quantistiche per elaborare le informazioni in un modo nuovo-uno che è totalmente diverso da come funzionano i normali computer. Questo li rende, in alcuni casi, esponenzialmente più veloce di qualsiasi computer normale.

Ad esempio, un computer quantistico potrebbe facilmente decifrare i codici che mantengono sicuro internet banking.

Quindi, come un supercomputer?

Non esattamente. Un computer quantistico non è solo un computer “più veloce”. Ci sono alcuni compiti specifici – come il factoring di numeri molto grandi – che un computer quantistico sarebbe sorprendente. (Questo è dove entra in gioco il codebreaking-vedi sotto.) Ma per la maggior parte dei lavori, un computer quantistico sarebbe poco meglio di un normale computer.

Quindi per cosa potrebbe essere usato un computer quantistico?

Saranno probabilmente più utili per le agenzie governative, le società di ricerca e sviluppo e le università per risolvere i problemi con cui i computer attuali lottano.

La prima idea pratica, proposta dal fisico Richard Feynman nel 1981, era quella di utilizzare un computer quantistico per simulare la meccanica quantistica. Questo avrebbe un impatto chimica e biologia. I chimici, ad esempio, potrebbero modellare accuratamente le interazioni farmacologiche e i biologi potrebbero studiare tutti i possibili modi in cui le proteine possono piegarsi e interagire tra loro.

Mentre i computer quantistici erano una volta una curiosità accademica, l’interesse esplose nel 1994 quando il matematico americano Peter Shor trovò un modo per usare i computer quantistici per rompere i codici.

Attualmente, molti sistemi di sicurezza online funzionano secondo il principio che è quasi impossibile prendere un numero molto grande e capire quali sono i suoi fattori primi. Tutto ciò che un normale computer può fare è provare ogni possibilità una dopo l’altra – un compito che potrebbe richiedere miliardi di anni. Usando l’algoritmo di Shor, un computer quantistico potrebbe eseguire l’operazione in poche ore.

I computer quantistici potrebbero anche essere fantastici nel riconoscere i modelli nei dati, utili per problemi di apprendimento automatico, come la possibilità di identificare diversi oggetti in un’immagine. Potrebbero essere bravi a costruire modelli per predire il futuro, come nelle previsioni meteorologiche a lungo termine.

Ma alla fine, gli usi del calcolo quantistico sono imprevedibili. Si consideri che nel 1943, Thomas Watson, il presidente di IBM ha detto, ” Penso che ci sia un mercato mondiale per forse cinque computer.”Ora ce ne sono cinque in ogni famiglia.

Se il precedente è una guida, dobbiamo ancora immaginare quali saranno gli usi dei computer quantistici.

Come funziona l’informatica quantistica?

I computer normali sono basati su ” bit ” – immaginali come piccoli interruttori che puntano a un 1 o a uno 0.

L’informatica quantistica si basa su bit quantistici, o “qubit”, che possono anche rappresentare uno 0 o un 1. La cosa folle è che i qubit possono anche ottenere uno stato misto, chiamato “sovrapposizione” dove sono entrambi 1 e 0 allo stesso tempo. Questa ambiguità – la capacità di “essere” e “non essere” – è la chiave per il potere del calcolo quantistico.

Come aiuta la sovrapposizione?

La differenza tra computer normali e computer quantistici si riduce a come affrontano un problema.

Un normale computer cerca di risolvere un problema allo stesso modo in cui potresti provare a fuggire da un labirinto – provando ogni possibile corridoio, tornando indietro nei vicoli ciechi, fino a trovare la via d’uscita. Ma la sovrapposizione consente al computer quantistico di provare tutti i percorsi contemporaneamente-in sostanza, trovando la scorciatoia.

Due bit nel computer possono essere in quattro stati possibili (00, 01, 10 o 11), ma solo uno di essi in qualsiasi momento. Ciò limita il computer all’elaborazione di un input alla volta (come provare un corridoio nel labirinto).

In un computer quantistico, due qubit possono anche rappresentare esattamente gli stessi quattro stati (00, 01, 10 o 11). La differenza è che, a causa della sovrapposizione, i qubit possono rappresentare tutti e quattro allo stesso tempo. È un po ‘ come avere quattro normali computer che girano fianco a fianco.

Se aggiungi più bit a un normale computer, può comunque gestire solo uno stato alla volta. Ma come si aggiunge qubit, la potenza del computer quantistico cresce in modo esponenziale. Per l’inclinazione matematica, possiamo dire che se hai ” n ” qubit, puoi rappresentare contemporaneamente 2n stati.)

È come quella vecchia favola su un antico indiano, chiamato Sessa, che ha inventato il gioco degli scacchi. Il re fu felice del gioco e chiese a Sessa di nominare la sua ricompensa. Sessa chiese umilmente un’unica scacchiera con un chicco di grano sul primo quadrato, due sul secondo, quattro sul terzo e così via. Il re acconsentì subito, senza rendersi conto di aver promesso più grano di quanto esistesse sulla Terra. Questo è il potere della crescita esponenziale.

Proprio come ogni quadrato ha raddoppiato il grano di Sessa, ogni qubit aggiuntivo raddoppia la potenza di elaborazione. Tre qubit ti danno 23, che è otto stati allo stesso tempo; quattro qubit ti danno 24, che è 16. E 64 qubit? Ti danno 264, che è 18,446,744,073,709,600,000 possibilità! Vale circa un milione di terabyte.

Mentre 64 bit regolari possono anche rappresentare questo numero enorme (264) di stati, può rappresentare solo uno alla volta. Per scorrere tutte queste combinazioni, a due miliardi al secondo (che è una velocità tipica per un PC moderno), ci vorrebbero circa 400 anni.

Tutto ciò significa che i computer quantistici potrebbero affrontare problemi “praticamente impossibili” per i computer classici.

Ma per ottenere quella velocità esponenziale, il destino di tutti i qubit deve essere collegato insieme in un processo chiamato entanglement quantistico. Questo strano fenomeno, che Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”, può collegare particelle quantistiche anche se si trovano alle estremità opposte dell’universo.

Cosa rende un qubit?

Per creare un qubit, è necessario un oggetto che possa raggiungere uno stato di sovrapposizione quantistica tra due stati.

Un nucleo atomico è un tipo di qubit. La direzione del suo momento magnetico (è “spin”) può puntare in direzioni diverse, ad esempio verso l’alto o verso il basso rispetto a un campo magnetico.

La sfida è nel posizionare e quindi affrontare quel singolo atomo.

Un team australiano guidato da Michelle Simmons presso l’Università del New South Wales, ha fatto qubit atomici posizionando un singolo atomo di fosforo in una posizione nota all’interno di un cristallo di silicio.

Un’altra idea è quella di togliere un elettrone dall’atomo e trasformarlo in uno ion. Quindi è possibile utilizzare i campi elettromagnetici per sospendere lo ion nello spazio libero, sparando laser su di esso per cambiare il suo stato. Questo rende per un computer quantistico “trapped intrappolato”.

Una corrente in un anello di metallo superconduttore può anche essere in una sovrapposizione (tra in senso orario e antiorario), un po ‘ come un piccolo tapis roulant che corre avanti e indietro allo stesso tempo.

Un fotone di luce può essere in sovrapposizione nella direzione in cui sta ondeggiando. Alcuni gruppi hanno assemblato circuiti quantistici inviando fotoni attorno a un labirinto di fibre ottiche e specchi.

Come si crea la sovrapposizione?

Hai mai provato a bilanciare una moneta esattamente sul suo bordo? Questo è ciò che la programmazione di un qubit è come. Implica fare qualcosa a un qubit in modo che, in un certo senso, finisca per essere “bilanciato” tra gli stati.

Nel caso del nucleo atomico, questo potrebbe essere attraverso lo zapping con un campo elettrico o magnetico, lasciando è con uguale probabilità di girare in un modo o nell’altro.

Quindi, come leggi le informazioni dai qubit?

C’è un’aura di mistica su ciò che accade durante un calcolo quantistico. I fisici più way-out descrivono i qubit come impegnati in una sorta di seduta quantistica con mondi paralleli per divinizzare la risposta.

Ma non è magia, è solo meccanica quantistica.

Dì che hai il tuo nuovo computer quantistico a 64 qubit installato e funzionante per il suo primo calcolo. Metti tutti i 64 qubit in sovrapposizione, proprio come 64 monete tutte bilanciate sul bordo. Insieme, detengono 264 possibili stati in un limbo. Sai che uno di questi stati rappresenta la risposta giusta. Ma quale?

Il problema è che la lettura dei qubit fa crollare la sovrapposizione – come sbattere il pugno sul tavolo con tutte quelle monete bilanciate.

Ecco dove un algoritmo quantistico come Shor è utile. Carica i qubit per renderli più probabili cadere sul lato corretto e darci la risposta giusta.

Sono già stati costruiti computer quantistici?

Apparentemente sì, anche se nessuno di loro può ancora fare nulla superando i computer convenzionali.

Gli ultimi tre anni hanno visto progressi drammatici nel calcolo quantistico. Mentre nel 2016 la rivista Nature celebrava un computer a nove qubit sviluppato dai ricercatori di Google. Diciotto mesi dopo, nel dicembre 2017, IBM ha riportato il loro computer quantistico a 50 qubit. Entro quattro mesi, Google aveva striato avanti di nuovo, con il loro 72-qubit ‘Bristlecone’ computer quantistico. Nel frattempo IBM ha prodotto il primo computer quantistico disponibile in commercio-fornendo l’accesso cloud al loro sistema Q 20 qubit Una macchina, per un prezzo.

D-Wave è ancora molto avanti con la sua creazione utilizzando 2000 loop superconduttori come qubit, anche se alcuni fisici sono scettici sul fatto che D-Wave abbia costruito un vero computer quantistico.

Tutti i grandi giocatori hanno la prossima importante pietra miliare nel loro mirino: ‘supremazia quantistica’. Ciò significa quando un computer quantistico risolve un problema al di là delle capacità delle macchine classiche. Teoricamente questo dovrebbe essere possibile con una macchina da 50 qubit, ma solo se i tassi di errore sono abbastanza bassi.

Perché è così difficile costruire un computer quantistico?

Ci sono sfide ad ogni livello, dall’assemblaggio di qubit, alla lettura e scrittura di informazioni su di essi, alla spola di informazioni avanti e indietro senza che scompaia in un soffio di incertezza.

Un qubit è la diva definitiva. Mentre una starlet di Hollywood potrebbe richiedere un gigantesco spogliatoio e un bagno pieno di petali di rosa, un qubit richiede un isolamento perfetto e un termostato fissato a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto. La minima vibrazione da un atomo vicino può causare un qubit per lanciare un capriccio quantistico, e perdere la sua sovrapposizione.

La difficoltà principale è come mantenere i delicati stati di sovrapposizione e entanglement abbastanza a lungo da eseguire un calcolo – il cosiddetto tempo di coerenza.

Nonostante questa sfida scoraggiante, la corsa per costruire il primo pratico computer quantistico è diventata una delle grandi sfide scientifiche del nostro tempo – coinvolgendo migliaia di fisici e ingegneri in decine di istituti di ricerca sparsi in tutto il mondo.