La fisica quantistica governa tutto ciò che ci circonda. È possibile trasformare l'intero universo in un computer quantistico, gli alieni lo noteranno e perché tali macchine sono necessarie? Jacob Biamonte, un professore di Skoltech, uno dei massimi esperti in questo campo, risponde a queste domande e racconta come è finito in Russia.
Futuro radioso
“Sono arrivato in Russia per la prima volta più di dieci anni fa, e per niente per fare fisica. Amo le arti marziali, compreso il sambo, e sono venuto qui per studiare e scambiare esperienze. In seguito ho imparato che qui ci sono tutte le condizioni per fare scienza avanzata, attirando scienziati da tutto il mondo alla cooperazione , dice lo scienziato.
Oggi è a capo dei laboratori quantistici profondi, creati due anni fa nell'ambito di Skoltech per unire gli sforzi di fisici, matematici, programmatori e ingegneri russi e stranieri che studiano i problemi associati allo sviluppo dei sistemi informatici quantistici.
“Non ci occupiamo di pratica, ma di tutti gli aspetti teorici e" software "dell'informatica quantistica e interagiamo con sperimentatori, inclusi scienziati di Skoltech e specialisti dell'Università statale di Mosca, RCC e ITMO. Siamo aperti alla cooperazione e siamo pronti ad aiutare tutti gli sperimentatori che studiano tali questioni ", continua il professore.
Cos'è un computer quantistico? Per sua stessa natura, è radicalmente diverso dai dispositivi informatici classici, che consentono operazioni matematiche semplici o complesse su numeri o set di dati espressi come zero e uno.
Nei cugini quantistici dei computer classici, i cui principi furono formulati più di 30 anni fa dal fisico sovietico Yuri Manin, le informazioni sono codificate in un modo fondamentalmente diverso. Le celle di memoria elementari, i cosiddetti qubit, non possono contenere né zero né uno, ma un intero spettro di valori nell'intervallo tra di loro.
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Di conseguenza, la potenza di tali computer cresce in modo esponenziale: il comportamento di un processore quantistico con diverse decine di qubit non può essere calcolato nemmeno con l'aiuto dei più potenti supercomputer classici.
Per molto tempo, tali macchine sono rimaste oggetto della fantascienza e della ricerca teorica dei fisici, ma negli ultimi 15 anni gli scienziati hanno fatto un passo avanti nella creazione di qubit e nel combinarli in sistemi più complessi. Le versioni più avanzate dei computer quantistici sviluppati presso Google, IBM e l'Università di Harvard dal gruppo di Mikhail Lukin contengono da 20 a 50 qubit.
Timur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte, professore di fisica presso l'Istituto di scienza e tecnologia di Skolkovo.
Nonostante questi progressi, gli sviluppatori di queste macchine presumono che i sistemi informatici a tutti gli effetti in grado di risolvere qualsiasi problema non appariranno presto, tra 10-20 anni. È interessante notare che questa stima non è cambiata dalla fine degli anni '90, ma sorgono costantemente nuovi problemi, che ogni volta mettono da parte l'imminente "brillante futuro quantistico".
Come ha notato Biamonte nelle sue lezioni di scienze popolari, assume una posizione speciale: a suo avviso, i sistemi informatici quantistici "utili" appariranno molto prima, ma non saranno affatto ciò che il pubblico in generale ei media li immaginano.
“Oggi c'è un grosso problema in fisica, che è allo stesso tempo il suo principale vantaggio. Gli sperimentatori gestiscono tutto. Per qualche ragione, pensano che gli esperimenti siano più importanti per la scienza della teoria. Grazie ai soldi investiti in quest'area, la fisica teorica è stata virtualmente distrutta”, afferma Biamonte.
Il professore stesso si riferisce a se stesso come un rappresentante della fisica teorica classica, le cui idee hanno dominato la scienza un secolo fa, nelle prime fasi della nascita della meccanica quantistica e della fisica moderna di Einstein. Negli ultimi decenni, persone come lui hanno dovuto trasferirsi nei dipartimenti di matematica, dove sono molto più a loro agio.
“Gli sperimentatori, inclusi i creatori di computer quantistici, si preoccupano solo dei propri progetti. Con poche eccezioni, non sono interessati a ciò che si sa sulla capacità di tali dispositivi in generale. Ciò influisce sulla loro mentalità e fa sì che forniscano valutazioni non razionali, ma emotive”, spiega il ricercatore.
Ad esempio, non esiste ancora una singola prova chiara che i computer quantistici possano superare le loro controparti classiche in termini di velocità di elaborazione. Allo stesso tempo, specifica Biamonte, se generalizziamo tutti i modelli semplificati che dimostrano alcuni aspetti di questa superiorità, avremo prove abbastanza convincenti a favore della superiorità dei calcolatori quantistici.
“Da un lato, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin e altri leader in questo campo hanno ragione: un computer quantistico non arriverà davvero presto. D'altra parte, in questo caso stiamo parlando di macchine universali in grado di correggere i propri errori”, osserva il fisico.
La mancanza di una tale capacità in un computer, sottolinea Biamonte, non lo rende assolutamente inutile o inferiore.
Addizionatrice atomica
“Ci sono innumerevoli esempi di vari sistemi quantistici in natura che non hanno questa capacità. Il loro comportamento è molto difficile da calcolare utilizzando normali computer. Pertanto, la creazione di un sistema quantistico che simula tali processi ci consentirà di eseguire i calcoli appropriati e ottenere qualcosa di utile , afferma lo scienziato.
Questa idea è tutt'altro che nuova: è stata espressa dal famoso fisico americano Richard Feynman solo due anni dopo la pubblicazione dei primi articoli di Manin. Come ha notato Biamonte, gli sperimentatori hanno sviluppato attivamente tali sistemi negli ultimi anni ei teorici stanno pensando a dove possono essere applicati.
Tali dispositivi di calcolo analogico, i cosiddetti computer adiabatici, o "annealing" nel gergo dei fisici, non devono utilizzare effetti quantistici - per molti problemi, le interazioni classiche tra gli atomi sono sufficienti.
“Esistono tre tipi di computer di questo tipo: macchine di ricottura classiche, le loro controparti accelerate quantistiche e processori quantistici a tutti gli effetti basati su porte logiche quantistiche. Questi ultimi sono stati creati nei laboratori IBM, il primo in Fujitsu e il secondo in D-Wave , afferma lo scienziato.
Biamonte ei suoi colleghi Skoltech sono i più interessati alle macchine di terza classe. Tali dispositivi, ha detto, sono abbastanza difficili da creare, ma possono essere utilizzati per risolvere i problemi di ottimizzazione più complessi: dall'apprendimento automatico allo sviluppo di nuovi farmaci.
“Queste macchine sono molto interessanti, ma i primi veri dispositivi di questo tipo appariranno solo tra pochi anni. D'altra parte, è possibile creare subito ricotture classiche e quantistiche. E ora, in pratica, rimangono i computer quantistici più utili , aggiunge Biamonte.
Molti processi nella fisica delle particelle, continua il ricercatore, sono programmati dalla natura in modo da ottimizzarsi, sforzandosi di raggiungere un minimo di energia. Di conseguenza, se impariamo a controllare questi processi, possiamo fare in modo che un insieme di atomi o altri oggetti eseguano questi calcoli per noi.
“Perché sprecare un'enorme quantità di tempo della CPU in una tale ottimizzazione, se può essere eseguita da un dispositivo di ricottura classico o da un dispositivo quantistico simile a D-Wave? In senso figurato, perché, quando si studia il vento, utilizzare una galleria del vento virtuale, se ne abbiamo già una vera? Molte aziende russe ci stanno pensando e stiamo collaborando attivamente con loro , sottolinea lo scienziato.
Il completamento con successo di questi esperimenti aprirà la strada allo sviluppo di agenti di ricottura quantistica, in cui i principi della fisica quantistica vengono utilizzati per accelerare le interazioni tra atomi e altre particelle. Certo, alcuni compiti scientifici non saranno a loro disposizione, ma saranno in grado di risolvere molti problemi quotidiani, come l'ottimizzazione del traffico o la gestione del portafoglio azionario.
La maggior parte degli osservatori, osserva il professore di Skoltech, crede che Google vincerà nella corsa quantistica. Biamonte non è d'accordo: i rappresentanti dell'azienda californiana amano molto parlare dei loro successi, ma quasi non pubblicano articoli scientifici e non svelano i segreti del dispositivo delle loro macchine quantistiche.
Secondo lui, gli ingegneri IBM sono i più vicini all'obiettivo: i computer di questa azienda funzionano davvero e possono essere controllati in qualsiasi momento attraverso speciali sistemi cloud. Ma la scala è ancora piuttosto limitata e queste macchine non possono ancora essere utilizzate per risolvere problemi complessi.
Galassie pensanti
Se tali sistemi "seri" vengono creati nel prossimo futuro, sorge una domanda naturale: di cosa possono essere fatti, che dimensione possono raggiungere e come influenzeranno la nostra vita?
Secondo lo stesso Biamonte, non esistono limitazioni fisiche fondamentali per i computer quantistici (o dispositivi di ricottura) con milioni di qubit. D'altra parte, è completamente incomprensibile quanti qubit ci saranno nella realtà, poiché siamo ora nelle primissime fasi dello sviluppo delle tecnologie quantistiche.
“Finora, stiamo cercando di adattare le tecnologie già disponibili nell'industria elettronica per lavorare con i computer quantistici. Tuttavia, nessuno è sicuro che questa sia la strada giusta. Ci sono sistemi che sono molto più adatti per costruire macchine quantistiche. Tuttavia, sono molto più difficili da gestire , spiega lo scienziato.
Ad esempio, i difetti speciali all'interno dei diamanti sono isolati dal mondo esterno quasi quanto i singoli atomi nel vuoto dello spazio. Quanti punti di questo tipo possono stare in un diamante e quanto possono essere vicini l'uno all'altro senza interferire con il lavoro dei vicini non è ancora chiaro. La risposta a queste domande determina se i diamanti verranno utilizzati nei computer quantistici.
Macchine quantistiche davvero grandi, come ha notato il professore di Skoltech, risolveranno non solo i problemi pratici legati alla vita umana quotidiana, ma anche i puzzle scientifici più interessanti.
Forse riveleranno la natura quantistica della gravità e metteranno alla prova le teorie di Biamonte sulla simmetria temporale osservando se sono particolarmente disturbati quando cercano di rompere questa simmetria o invertire il tempo quando si eseguono calcoli su tali macchine.
Quando l'umanità avrà affrontato questi compiti, cosa farà la scienza dopo? Questa domanda, ritiene Biamonte, è paradossalmente correlata alla ricerca di vita extraterrestre e al modo in cui i rappresentanti di civiltà aliene possono segnalare la loro esistenza.
Imur Sabirov (Skoltech). Jacob Biamonte e i suoi colleghi dei laboratori quantistici profondi.
“Immagina che sottometteremo tutta l'energia e il potere dell'universo. Cosa faremo prima? Certo, possiamo distruggere noi stessi, ma c'è uno scenario più interessante. Ad esempio, avremo l'opportunità di accelerare il movimento della Terra a velocità elevatissime e lasciare un computer in orbita , dice il fisico.
Secondo la teoria della relatività, il tempo sul pianeta rallenterà. Se trascorriamo decine di anni in questo stato, una macchina informatica quantistica o un normale computer nel "mondo esterno" funzionerà per diversi millenni. Inoltre, questo non è necessariamente un computer creato dall'uomo, il suo ruolo può essere svolto da vari oggetti spaziali, ad esempio nuvole di gas giganti.
“Quanto spesso puoi farlo? Non c'è un limite esplicito a una tale "accelerazione dei calcoli", ma sappiamo tutti che il tardo Universo non sarà un posto molto interessante per noi. Le stelle inizieranno gradualmente a svanire e le galassie diventeranno invisibili l'una all'altra a causa dell'espansione dell'universo”, osserva il professore.
Riflessioni simili sollevano una domanda naturale: se l'umanità può farlo, cosa impedisce agli alieni di fare lo stesso? Di conseguenza, alcune tracce di tale calcolo quantistico "spaziale" o delle loro controparti classiche devono essere presenti nello spazio. Cosa indicherebbe questo, i giganteschi computer quantistici degli alieni?
“Non posso dare una risposta esatta alla domanda su cosa potrebbe essere o suggerire come cercarli. Allo stesso tempo, l'esistenza di tali "calcolatori universali" mi sembra molto più probabile dell'emergere spontaneo di "pianeti intelligenti" e altri oggetti cosmici in grado di essere consapevoli di se stessi, cosa che viene spesso discussa dai filosofi "quantistici" ", conclude Biamonte.
