La gara è in pieno svolgimento. Le aziende leader a livello mondiale stanno cercando di creare il primo computer quantistico, basato su una tecnologia che da tempo promette agli scienziati di aiutare a sviluppare nuovi meravigliosi materiali, una perfetta crittografia dei dati e prevedere con precisione i cambiamenti nel clima della Terra. Una macchina del genere apparirà probabilmente non prima di dieci anni da oggi, ma questo non ferma IBM, Microsoft, Google, Intel e altri. Loro mettono letteralmente bit quantici - o qubit - su un chip del processore, letteralmente. Ma il percorso verso il calcolo quantistico implica molto di più che manipolare particelle subatomiche.
Un qubit può rappresentare 0 e 1 allo stesso tempo, grazie all'esclusivo fenomeno quantistico della sovrapposizione. Ciò consente ai qubit di eseguire un'enorme quantità di calcolo allo stesso tempo, aumentando notevolmente la velocità e la capacità di calcolo. Ma esistono diversi tipi di qubit e non tutti vengono creati allo stesso modo. In un chip quantistico al silicio programmabile, ad esempio, il valore di un bit (1 o 0) è determinato dalla direzione di rotazione del suo elettrone. Tuttavia, i qubit sono estremamente fragili e alcuni hanno bisogno di temperature fino a 20 millikelvin - 250 volte più fredde che nello spazio profondo - per rimanere stabili.
Ovviamente, un computer quantistico non è solo un processore. Questi sistemi di nuova generazione richiederanno nuovi algoritmi, nuovo software, connessioni e un mucchio di tecnologie ancora da inventare che beneficiano di una colossale potenza di calcolo. Inoltre, i risultati dei calcoli dovranno essere archiviati da qualche parte.
"Se non fosse stato così difficile, ne avremmo già fatto uno", afferma Jim Clark, direttore dell'hardware quantistico presso Intel Labs. Al CES di quest'anno, Intel ha presentato un processore a 49 qubit, nome in codice Tangle Lake. Alcuni anni fa, l'azienda ha creato un ambiente virtuale per testare il software quantistico; utilizza il potente supercomputer Stampede (dell'Università del Texas) per simulare un processore a 42 qubit. Tuttavia, per capire effettivamente come scrivere software per computer quantistici richiede la simulazione di centinaia o addirittura migliaia di qubit, afferma Clarke.
Scientific American ha intervistato Clarke sui diversi approcci alla costruzione di un computer quantistico, perché sono così fragili e perché l'intera cosa richiede così tanto tempo. Sarà interessante per te.
In che modo l'informatica quantistica è diversa dall'informatica tradizionale?
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Una metafora comune utilizzata per confrontare i due tipi di calcoli è una moneta. In un processore per computer tradizionale, il transistor è testa o croce. Ma se chiedi da che parte è rivolta la moneta quando gira, dirai che la risposta può essere entrambe. Ecco come funziona il calcolo quantistico. Invece dei soliti bit che rappresentano 0 o 1, hai un bit quantistico che rappresenta sia 0 che 1 contemporaneamente fino a quando il qubit smette di girare ed entra in uno stato di riposo.
Lo spazio degli stati - o la capacità di iterare su un numero enorme di combinazioni possibili - è esponenziale nel caso di un computer quantistico. Immagina di avere due monete in mano e di lanciarle in aria contemporaneamente. Mentre ruotano, rappresentano quattro possibili stati. Se lancio tre monete in aria, rappresentano otto possibili stati. Se lancio cinquanta monete in aria e ti chiedo quanti stati rappresentano, la risposta è un numero che nemmeno il supercomputer più potente del mondo può calcolare. Trecento monete - ancora un numero relativamente piccolo - rappresenteranno più stati che atomi nell'universo.
Perché i qubit sono così fragili?
La realtà è che le monete, o qubit, alla fine smettono di girare e collassano in un certo stato, che sia testa o croce. L'obiettivo del calcolo quantistico è mantenerlo in rotazione in sovrapposizione in un insieme di stati per lungo tempo. Immagina che una moneta giri sul mio tavolo e qualcuno spinga il tavolo. La moneta potrebbe cadere più velocemente. Rumore, variazioni di temperatura, fluttuazioni elettriche o vibrazioni possono interferire con il funzionamento del qubit e portare alla perdita dei suoi dati. Un modo per stabilizzare alcuni tipi di qubit è mantenerli freddi. I nostri qubit funzionano in un frigorifero delle dimensioni di un barile da 55 galloni e utilizzano uno speciale isotopo di elio per raffreddarli quasi allo zero assoluto.
In che modo i diversi tipi di qubit differiscono l'uno dall'altro?
Esistono non meno di sei o sette diversi tipi di qubit e circa tre o quattro di essi vengono attivamente presi in considerazione per l'uso nei computer quantistici. La differenza è come manipolare i qubit e farli comunicare tra loro. Sono necessari due qubit per comunicare tra loro per eseguire calcoli "entangled" di grandi dimensioni e diversi tipi di qubit si intrecciano in modi diversi. Il tipo che ho descritto che richiede un raffreddamento estremo è chiamato sistema superconduttore, che include il nostro processore Tangle Lake e computer quantistici costruiti da Google, IBM e altri. Altri approcci utilizzano cariche oscillanti di ioni intrappolati - tenuti in posizione in una camera a vuoto da raggi laser - che agiscono come qubit. Intel non sviluppa sistemi di ioni intrappolati perché richiede una profonda conoscenza dei laser e dell'ottica,non possiamo farlo.
Tuttavia, stiamo studiando un terzo tipo, che chiamiamo qubit di spin al silicio. Sembrano esattamente come i tradizionali transistor al silicio, ma funzionano su un singolo elettrone. I qubit di spin utilizzano impulsi a microonde per controllare lo spin di un elettrone e rilasciare la sua forza quantistica. Questa tecnologia è oggi meno matura rispetto alla tecnologia qubit superconduttiva, ma è probabilmente molto più probabile che si ridimensiona e abbia successo commerciale.
Come arrivare a questo punto da qui?
Il primo passo è creare questi chip quantistici. Allo stesso tempo, abbiamo eseguito simulazioni su un supercomputer. Per eseguire il simulatore quantistico di Intel, sono necessari circa cinquemila miliardi di transistor per simulare 42 qubit. Ci vogliono un milione di qubit o più per raggiungere la portata commerciale, ma iniziare con un simulatore come questo può costruire l'architettura di base, i compilatori e gli algoritmi. Fino a quando non avremo sistemi fisici che includeranno da poche centinaia a mille qubit, non è chiaro quale tipo di software possiamo eseguire su di essi. Esistono due modi per aumentare le dimensioni di un tale sistema: uno consiste nell'aggiungere più qubit, che richiederanno più spazio fisico. Il problema è che se il nostro obiettivo è costruire computer con un milione di qubit, la matematica non permetterà loro di scalare bene. Un altro modo è comprimere le dimensioni interne del circuito integrato, ma questo approccio richiederebbe un sistema superconduttore, che deve essere enorme. Gli spin qubit sono un milione di volte più piccoli, quindi stiamo cercando altre soluzioni.
Inoltre, vogliamo migliorare la qualità dei qubit, che ci aiuteranno a testare gli algoritmi e costruire il nostro sistema. La qualità si riferisce all'accuratezza con cui le informazioni vengono comunicate nel tempo. Sebbene molte parti di un tale sistema miglioreranno la qualità, i maggiori vantaggi deriveranno dallo sviluppo di nuovi materiali e dal miglioramento dell'accuratezza degli impulsi a microonde e di altri dispositivi elettronici di controllo.
Recentemente, la sottocommissione statunitense per il commercio digitale e la protezione dei consumatori ha tenuto un'audizione sull'informatica quantistica. Cosa vogliono sapere i legislatori di questa tecnologia?
Ci sono diverse audizioni associate a diverse commissioni. Se prendiamo il calcolo quantistico, possiamo dire che si tratta di tecnologie informatiche per i prossimi 100 anni. È naturale che gli Stati Uniti e altri governi siano interessati alla loro opportunità. L'Unione Europea ha un piano multimiliardario per finanziare la ricerca quantistica in tutta Europa. La Cina lo scorso autunno ha annunciato una base di ricerca da 10 miliardi di dollari che si concentrerà sull'informatica quantistica. La domanda è: cosa possiamo fare come paese a livello nazionale? Una strategia nazionale per il calcolo quantistico dovrebbe essere gestita da università, governo e industria, lavorando insieme su diversi aspetti della tecnologia. Gli standard sono decisamente necessari in termini di comunicazione o architettura software. Anche il lavoro è un problema. Ora, se apro un posto vacante per un esperto di informatica quantistica, è probabile che due terzi dei candidati siano al di fuori degli Stati Uniti.
Che impatto può avere il quantum computing sullo sviluppo dell'intelligenza artificiale?
In genere, i primi algoritmi quantistici proposti si concentreranno sulla sicurezza (ad es. Crittografia) o sulla chimica e sulla modellazione dei materiali. Questi sono problemi fondamentalmente insolubili per i computer tradizionali. Tuttavia, ci sono tonnellate di startup e gruppi di scienziati che lavorano su machine learning e AI con l'introduzione di computer quantistici, anche teorici. Dato il lasso di tempo richiesto per lo sviluppo dell'IA, mi aspetterei chip tradizionali ottimizzati specificamente per gli algoritmi AI, che a loro volta avranno un impatto sullo sviluppo dei chip quantistici. In ogni caso, l'intelligenza artificiale riceverà sicuramente una spinta dal calcolo quantistico.
Quando vedremo i computer quantistici funzionanti risolvere i problemi del mondo reale?
Il primo transistor è stato creato nel 1947. Il primo circuito integrato risale al 1958. Il primo microprocessore di Intel, che conteneva circa 2.500 transistor, non è uscito fino al 1971. Ciascuna di queste pietre miliari è stata separata da più di un decennio. La gente pensa che i computer quantistici siano proprio dietro l'angolo, ma la storia mostra che i progressi richiedono tempo. Se tra 10 anni avremo un computer quantistico con poche migliaia di qubit, cambierà sicuramente il mondo proprio come fece il primo microprocessore.
Ilya Khel
