Cos'è un computer quantistico e in cosa consiste? Non tutti i computer hanno diritto a tale nome. Perché è così e perché tali installazioni sono necessarie, spiega Christopher Monroe, professore all'Università del Maryland e uno dei principali attori della "corsa quantistica" globale.
Il Russian Quantum Center tiene regolarmente importanti conferenze internazionali a Mosca dedicate allo sviluppo delle tecnologie quantistiche e alla loro applicazione pratica. Non solo i principali ricercatori prendono parte al suo lavoro, ma anche i rappresentanti di grandi aziende e funzionari governativi russi e stranieri.
Quest'anno, alla conferenza hanno partecipato i leader di tre team scientifici leader nella creazione di sistemi di calcolo quantistico complessi. Oltre a Mikhail Lukin, professore all'Università di Harvard (USA), che per primo ha annunciato la creazione di un computer da 51 qubit da record nella precedente conferenza, vi hanno preso parte i professori Christopher Monroe e Harmut Neven.
Monroe, che oggi lavora all'Università del Maryland (USA), ha creato una macchina di potenza simile quasi simultaneamente alla sua controparte russo-americana, usando principi simili, ma leggermente diversi.
Ha parlato della direzione in cui si sta sviluppando questo sistema, di come si differenzia dai "concorrenti" e dove si trova il confine tra i veri computer quantistici, che corrispondono pienamente a questo termine, e i sistemi informatici che sono costruiti sulla base dei principi classici.
Superiorità quantistica
I computer quantistici sono dispositivi informatici speciali la cui potenza cresce in modo esponenziale a causa dell'uso delle leggi della meccanica quantistica nel loro lavoro. Tutti questi dispositivi sono costituiti da qubit - celle di memoria e allo stesso tempo moduli di calcolo primitivi in grado di memorizzare un intervallo di valori compreso tra zero e uno.
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Oggi ci sono due approcci principali allo sviluppo di tali dispositivi: classico e adiabatico. I fautori del primo di loro stanno cercando di creare un computer quantistico universale, in cui i qubit obbedirebbero alle regole con cui funzionano i normali dispositivi digitali. Lavorare con un tale dispositivo informatico, idealmente, non sarebbe molto diverso dal modo in cui ingegneri e programmatori utilizzano i computer convenzionali.
Un computer adiabatico è più facile da creare, ma è più vicino nei suoi principi di funzionamento alle macchine per l'aggiunta, al regolo calcolatore e ai computer analogici dell'inizio del XX secolo e non ai dispositivi digitali del nostro tempo. Esistono anche approcci ibridi che combinano le caratteristiche di entrambe le macchine. Tra questi, secondo Monroe, può essere attribuito al computer di Mikhail Lukin.
Secondo Monroe, ciò è dovuto al fatto che le celle di memoria nella sua macchina sono costruite sulla base di ioni del metallo delle terre rare itterbio, il cui stato non cambia se manipolato con raggi laser. Il computer quantistico di Lukin, a sua volta, è costruito sulla base dei cosiddetti atomi di Rydberg, che non sono protetti da tali influenze.
Sono atomi di rubidio-87 o altri metalli alcalini, il cui elettrone libero è stato "spinto" a una distanza enorme dal nucleo utilizzando speciali impulsi laser o onde radio. Per questo motivo, la dimensione dell'atomo aumenta di circa un milione di volte, il che lo trasforma in un qubit, ma, come ha spiegato Monroe, non consente di spostarlo senza deformare questa struttura e senza distruggere gli stati quantistici.
L'assenza di tali problemi negli ioni, secondo il fisico americano, ha permesso al suo team di creare non un ibrido, ma un computer quantistico completamente controllato, i cui qubit gli scienziati possono manipolare direttamente nel corso del calcolo.
Ad esempio, tre anni fa, molto prima della creazione di macchine più grandi, Monroe e il suo team hanno annunciato di essere riusciti a creare il primo computer quantistico riprogrammabile, che consisteva di cinque celle di memoria. Questa modesta macchina, grazie alla sua elevata flessibilità, ha permesso ai fisici di eseguire diversi programmi quantistici su di essa contemporaneamente.
In particolare, sono riusciti a eseguire gli algoritmi Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani su questo mini-computer, oltre a creare una versione quantistica delle trasformate di Fourier, la pietra angolare della crittografia e della sua rottura.
Questi successi, così come le difficoltà nel mantenere un gran numero di ioni in trappole, osserva Monroe, lo hanno spinto a pensare che i sistemi informatici quantistici dovrebbero essere costruiti modulari piuttosto che monolitici. In altre parole, i computer quantistici "seri" non rappresenteranno un unico insieme, ma una sorta di rete, composta da molti moduli simili e abbastanza semplici.
Vuoto imperfetto
Tali sistemi, come ha notato il professore americano, esistono già, ma non sono ancora utilizzati nei prototipi di computer quantistici per un semplice motivo: funzionano circa cento volte più lentamente dei qubit stessi. Tuttavia, ritiene che questo problema sia completamente risolvibile, poiché ha una natura ingegneristica piuttosto che scientifica.
Un altro potenziale problema che interferirà con il funzionamento dei computer quantistici monolitici o semplicemente di grandi dimensioni è che il vuoto, come ha detto Monroe, non è perfetto. Contiene sempre un piccolo numero di molecole, ognuna delle quali può entrare in collisione con qubit atomici e interferire con il loro lavoro.
L'unico modo per superare questo problema è raffreddare ulteriormente il computer quantistico, il più vicino possibile allo zero assoluto. Il team di Monroe non è ancora impegnato in questo, poiché il numero di qubit nella loro macchina è piccolo, ma in futuro questo problema dovrà essere sicuramente risolto.
L'approccio modulare, come suggerito dal professore americano, sarà un altro modo per risolvere questo problema, poiché consentirà di scomporre il computer in molte parti indipendenti contenenti un numero relativamente piccolo di qubit. In teoria, non funzionerà alla velocità di una macchina monolitica, ma aggirerà il problema del "vuoto imperfetto", poiché i moduli saranno più facili da raffreddare e controllare.
Quando arriverà questo momento? Come suggerisce Monroe, nei prossimi tre-cinque anni verranno create macchine che includono diverse centinaia di qubit. Saranno in grado di eseguire diverse decine di migliaia di operazioni e non richiederanno sistemi di raffreddamento estremo o di correzione degli errori per funzionare.
Tali macchine saranno in grado di risolvere molti problemi pratici complessi, ma non saranno computer a tutti gli effetti nel senso classico del termine. Per fare ciò, dovrai aumentare il numero di qubit e "insegnare" loro a correggere autonomamente gli errori nel loro lavoro. Questo, secondo il fisico, richiederà altri cinque anni.
Tratto finale della gara
I primi computer quantistici complessi, secondo Monroe, saranno costruiti sulla base di tecnologie ioniche o atomiche, poiché tutte le altre versioni di qubit, comprese le promettenti celle di memoria a semiconduttore, non hanno ancora raggiunto un livello di sviluppo simile.
“Finora, questi sono tutti esperimenti di laboratorio universitario. Questi qubit non possono essere utilizzati per creare porte logiche complete. Pertanto, sono d'accordo con Mikhail sul fatto che i nostri colleghi australiani, Intel e altri team dovranno risolvere molti problemi pratici prima di poter creare un sistema di elaborazione completo , osserva il fisico.
Come determinare il vincitore in questa "gara quantistica"? Due anni fa, Monroe ei suoi colleghi hanno cercato di rispondere a questa domanda organizzando i primi test comparativi dei computer quantistici. Hanno scelto un computer quantistico IBM basato su qubit superconduttori come concorrente per la prima versione della loro macchina.
Per confrontarli, fisici e programmatori dell'Università del Maryland hanno preparato la prima serie di "benchmark quantistici": semplici algoritmi che misurano sia l'accuratezza che la velocità di questi computer. Il test non ha rivelato un vincitore diretto: il computer di Monroe e il suo team hanno vinto esattamente, ma hanno perso in velocità contro la macchina IBM.
Allo stesso tempo, Monroe ritiene che la cosiddetta superiorità quantistica - la creazione di un computer quantistico, il cui comportamento non può essere calcolato con altri metodi - non sarà un serio risultato scientifico o pratico.
“Il problema sta nel concetto stesso. Da un lato, i nostri esperimenti con cinque dozzine di qubit, come gli esperimenti di Mikhail, hanno aiutato a calcolare quelle cose che non possono essere calcolate altrimenti. D'altra parte, questa non può essere chiamata superiorità, poiché non possiamo dimostrare che non può essere calcolata in altri modi. La superiorità quantistica apparirà prima o poi, ma personalmente non ho intenzione di inseguirla , ha sottolineato lo scienziato.
Un'altra difficoltà sta nel fatto che non possiamo ancora dire con certezza quali problemi i computer quantistici possono risolvere e dove la loro applicazione sarà più giustificata e utile. Per questo, è necessario che sia l'ambiente scientifico che l'intera società inizino a percepire tali macchine come uno strumento accessibile e universale.
Misteri quantistici dell'universo
Per questo motivo, il professore americano non crede che i sistemi di calcolo adiabatico come i dispositivi D-Wave possano essere chiamati computer quantistici. Il loro lavoro, secondo il fisico, si basa su principi fisici completamente classici che non hanno nulla a che fare con la vera meccanica quantistica.
“Nonostante questo, computer analogici come questi sono estremamente interessanti dal punto di vista pratico. Puoi semplicemente prendere alcuni magneti, attaccarli a una maglia triangolare e tracciarne il comportamento. Questi esperimenti non avranno nulla a che fare con la fisica quantistica, ma consentiranno alcuni calcoli di ottimizzazione complessi. Gli investitori sono interessati a loro, il che significa che questo non viene fatto invano”, continua il professore.
Quali compiti può risolvere un computer quantistico "reale"? Come ha notato Monroe, negli ultimi anni, molte altre squadre di fisici hanno contattato la sua squadra. Hanno in programma di utilizzare la loro macchina per risolvere molti importanti problemi scientifici che non possono essere calcolati su un computer convenzionale.
Finora, gli stessi esperimenti, come ha ammesso il fisico, possono essere condotti su normali supercomputer. D'altra parte, nei prossimi anni, il numero di qubit nelle macchine quantistiche aumenterà in modo significativo, il che renderà il loro lavoro innumerevole.
Ciò amplierà la loro applicabilità e renderà tali esperimenti uno dei modi più interessanti e unici per studiare gli oggetti più grandi e misteriosi dell'Universo, oltre a risolvere molti compiti quotidiani, come trovare rotte o gestire l'economia, conclude il ricercatore.
