Dopo decenni di duro lavoro senza molte speranze di successo, si è improvvisamente sviluppata un'attività frenetica intorno al computer quantistico. Quasi due anni fa, IBM ha mostrato al mondo un computer quantistico con cinque bit quantici (qubit), che ora (il che suona un po 'strano) chiamano IBM Q Experience. Allora, il dispositivo era più simile a un giocattolo per i ricercatori che a uno strumento per una seria elaborazione dei dati. Tuttavia, 70mila utenti in tutto il mondo si sono registrati al progetto, e ormai il numero di qubit è quadruplicato. Alcuni mesi fa, IBM e Intel hanno annunciato la creazione di computer quantistici con 50 e 49 qubit. È anche noto che un altro computer è in attesa dietro le quinte tra le mura di Google. "La comunità è piena di energia e le recenti scoperte sono sorprendenti".- dice il fisico Jens Eisert della Libera Università di Berlino.
Attualmente, si parla di imminente "supremazia quantistica": il tempo in cui un computer quantistico può eseguire un compito al di là della potenza anche dei più potenti supercomputer classici. Se confrontiamo solo i numeri, un'affermazione del genere può sembrare ridicola: 50 qubit contro miliardi di bit classici in qualsiasi laptop. Ma il punto centrale dell'informatica quantistica è che il bit quantistico è capace di molto di più di quello classico. Per molto tempo si è creduto che 50 qubit sarebbero stati sufficienti per eseguire calcoli che un computer convenzionale avrebbe eseguito indefinitamente. A metà del 2017, i ricercatori di Google hanno annunciato che avrebbero dimostrato la superiorità quantistica entro dicembre. (A una recente richiesta di nuovi dati, un portavoce dell'azienda ha risposto: "Annunceremo i risultati,non appena saranno sufficientemente comprovate, ma per ora è in corso un'analisi approfondita degli sviluppi esistenti. ")
Vorrei concludere che tutti i problemi principali possono essere risolti e il futuro, in cui i computer quantistici sono un fenomeno onnipresente, è solo una questione di attrezzatura tecnica. Ma si sbaglierà. I problemi fisici alla base dell'informatica quantistica sono ancora lontani dall'essere risolti.
Anche se entreremo presto in un'era di supremazia quantistica, il prossimo anno o due potrebbero essere decisivi: i computer quantistici cambieranno davvero completamente il modo in cui facciamo i computer? La posta in gioco è ancora alta e non vi è alcuna garanzia che l'obiettivo venga raggiunto.
Zitto e calcola
Sia i vantaggi che le sfide dell'informatica quantistica sono inerenti alla fisica che lo rende possibile. Le basi sono già state dette più di una volta, anche se non sempre è stato chiarito cosa richiede la meccanica quantistica. I computer classici memorizzano le informazioni e le elaborano in codice binario (0 o 1). Nei computer quantistici, la situazione è quasi la stessa, solo ogni bit si trova nella cosiddetta sovrapposizione, cioè può essere sia 0 che 1 allo stesso tempo. Ciò significa che lo stato di un qubit può essere determinato solo con un certo grado di probabilità.
Per eseguire un calcolo con un gran numero di qubit, tutti devono trovarsi in sovrapposizioni interdipendenti - in uno stato di "coerenza quantistica", in cui tutti i qubit sono considerati entangled. In questo caso, il minimo cambiamento in un qubit può influenzare tutti gli altri. Cioè, le operazioni di calcolo che utilizzano i qubit hanno prestazioni più elevate rispetto all'utilizzo dei bit classici. In un dispositivo classico, le capacità di calcolo dipendono semplicemente dal numero di bit, ma l'aggiunta di ogni nuovo qubit aumenta le capacità di un computer quantistico di 2 volte. Questo è il motivo per cui la differenza tra un dispositivo a 5 qubit e un dispositivo a 50 qubit è così significativa.
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Nota, non ho detto, come spesso si fa, che il vantaggio di un computer quantistico rispetto a uno classico risiede nell'esistenza di sovrapposizioni, che aumentano notevolmente il numero di possibili stati di informazione codificata. Come non ho detto, l'entanglement consente di eseguire molti calcoli contemporaneamente. (In realtà, un alto grado di entanglement dei qubit non è un prerequisito.) C'è del vero in questo, ma nessuna delle affermazioni descrive l'essenza del calcolo quantistico.
A causa della complessità della comprensione della meccanica quantistica, spiegare perché il calcolo quantistico è così potente è un compito arduo. Le equazioni della teoria quantistica mostrano sicuramente che funzionerà, almeno con alcuni tipi di calcolo: la scomposizione in fattori o la ricerca in un database accelera enormemente il processo. Ma quanto esattamente?
Forse il modo più sicuro per descrivere il calcolo quantistico è dire che la meccanica quantistica in qualche modo crea "possibilità" di calcolo che non sono disponibili per i dispositivi classici. Come ha osservato il fisico Daniel Gottesman del Perimeter Institute for Theoretical Physics (Perimeter Institute) di Waterloo: "Se è disponibile una meccanica quantistica sufficiente, in un certo senso il processo sta accelerando e, in caso contrario, non lo è".
Sebbene alcuni punti siano ancora chiari. Il calcolo quantistico richiede che tutti i qubit siano coerenti, il che è estremamente difficile da implementare. L'interazione del sistema dei qubit coerenti con l'ambiente crea canali attraverso i quali la coerenza "trapela" velocemente. Questo processo è chiamato decoerenza. Gli scienziati che intendono costruire un computer quantistico devono prevenire la decoerenza. Adesso riescono a fermarla solo per una frazione di secondo. La situazione diventa più complicata quando aumenta il numero di qubit e, di conseguenza, la capacità di interagire con l'ambiente. Ecco perché, sebbene l'idea dei computer quantistici sia stata proposta per la prima volta da Richard Feynman nel 1982 e la teoria sia stata sviluppata all'inizio degli anni '90, solo ora sono stati creati dispositivi in grado di eseguire calcoli reali.
Errori quantistici
C'è una seconda ragione principale per cui costruire un computer quantistico è così difficile. Come qualsiasi altro processo al mondo, fa rumore. Fluttuazioni casuali, derivanti, ad esempio, dalla temperatura dei qubit o dalle peculiarità dei processi quantistici fondamentali, possono cambiare la direzione o lo stato del qubit, il che porta a calcoli imprecisi. Una tale minaccia esiste quando si lavora con i computer classici, ma è abbastanza facile da risolvere. È sufficiente creare due o più backup di ogni bit in modo che non venga conteggiato un bit capovolto accidentalmente.
Gli scienziati che lavorano alla creazione di un computer quantistico hanno sviluppato diversi modi per risolvere il problema, ma tutte le strategie portano a troppi costi computazionali aggiuntivi, poiché tutta la potenza di calcolo viene spesa per correggere gli errori e non per eseguire gli algoritmi dati. "L'attuale tasso di errore limita in modo significativo il tempo che può richiedere un calcolo", spiega Andrew Childs, co-direttore del Joint Center for Quantum Information and Computational Sciences presso l'Università del Maryland. "Dobbiamo migliorare significativamente i risultati se vogliamo creare qualcosa di interessante".
Gran parte della ricerca nel calcolo quantistico fondamentale si concentra sulle tecniche di correzione degli errori. Parte della complessità del problema deriva da un'altra delle proprietà chiave dei sistemi quantistici: le sovrapposizioni possono essere mantenute solo finché non si misura il valore di un qubit. La misurazione distruggerà la sovrapposizione e porterà a un certo valore: 1 o 0. Come puoi sapere se c'è stato un errore nel funzionamento di un qubit se non sai in quale stato si trovava?
Uno schema intelligente suggerisce di utilizzare il calcolo indiretto combinando un qubit con un secondo qubit ausiliario. Quest'ultimo non è coinvolto nel calcolo, quindi la sua misurazione non influisce sullo stato del qubit principale. Ma è piuttosto difficile implementarlo. Questa soluzione significa che sono necessari molti qubit fisici per creare un vero "qubit logico" che sia immune agli errori.
Quanti? Il teorico quantistico Alan Aspuru-Guzik dell'Università di Harvard ritiene che occorreranno circa diecimila qubit fisici per creare un qubit logico, cosa che al momento non è possibile. Secondo lui, se tutto va bene, questo numero diminuirà a diverse migliaia o addirittura centinaia. Aisert non è così pessimista e crede che circa ottocento qubit fisici saranno sufficienti, ma ammette che anche in questa situazione "i costi aggiuntivi della potenza di calcolo saranno comunque grandi". Dobbiamo trovare modi per affrontare gli errori.
C'è un'alternativa alla correzione dei bug. Possono essere evitati o impediti in quella che viene chiamata mitigazione degli errori. I ricercatori dell'IBM progettano circuiti per calcolare matematicamente la probabilità di un errore e quindi considerare il risultato come zero rumore.
Alcuni ricercatori ritengono che il problema della correzione degli errori rimarrà irrisolto e impedirà ai computer quantistici di raggiungere le altezze previste. "Creare codici di correzione degli errori quantistici è molto più difficile che dimostrare la superiorità quantistica", spiega Gil Kalai, matematico della Hebrew University in Israele. Aggiunge anche che "i dispositivi che non correggono gli errori sono molto primitivi nei loro calcoli e la superiorità non può essere basata sulla primitività". In altre parole, i computer quantistici non supereranno i computer classici a meno che gli errori non vengano eliminati.
Altri scienziati ritengono che il problema alla fine sarà risolto. Uno di loro è Jay Gambetta, un informatico quantistico presso l'IBM Center for Quantum Computing. Thomas J. Watson. "I nostri recenti esperimenti hanno dimostrato gli elementi di base della correzione degli errori in piccoli dispositivi, che a loro volta aprono la strada a dispositivi più grandi in grado di memorizzare in modo affidabile informazioni quantistiche per lunghi periodi di tempo in presenza di rumore", afferma. Tuttavia, Gambetta ammette anche che, anche allo stato attuale delle cose, "c'è ancora molta strada da fare per la creazione di un computer quantistico universale e resistente agli errori utilizzando qubit logici". Grazie a tale ricerca, Childs è ottimista. "Sono sicuro che vedremo una dimostrazione di esperimenti di [correzione dei bug] ancora più riusciti, ma,probabilmente ci vorrà molto tempo prima di iniziare a utilizzare i computer quantistici per il calcolo reale ".
Vivere con gli errori
Nel prossimo futuro, i computer quantistici funzioneranno male. La domanda sorge spontanea: come conviverci? Gli scienziati IBM affermano che per il prossimo futuro, il campo della ricerca sul "calcolo quantistico approssimativo" si concentrerà sulla ricerca di modi per adattarsi al rumore.
Ciò richiede la creazione di tali algoritmi che produrranno il risultato corretto, ignorando gli errori. Il processo può essere paragonato al conteggio dei risultati elettorali, che non tiene conto dei voti viziati. "Anche se commette alcuni errori, un calcolo quantistico sufficientemente ampio e di alta qualità dovrebbe essere più efficiente del [classico]", afferma Gambetta.
Una delle più recenti applicazioni tolleranti agli errori della tecnologia sembra essere di maggior valore per gli scienziati che per il mondo in generale: modellare i materiali a livello atomico. (In effetti, questa è stata la motivazione che ha portato Feynman a proporre l'idea dei computer quantistici.) Le equazioni della meccanica quantistica descrivono come viene calcolata la stabilità o la reattività chimica (ad esempio, nelle molecole dei farmaci). Ma queste equazioni non possono essere risolte senza utilizzare molte semplificazioni.
Tuttavia, secondo Childs, il comportamento quantistico di elettroni e atomi "è relativamente vicino al comportamento naturale di un computer quantistico". Ciò significa che potrebbe essere costruito un modello computerizzato accurato della molecola. "Molti membri della comunità scientifica, me compreso, ritengono che la prima applicazione di successo di un computer quantistico sarà associata alla chimica quantistica e alla scienza dei materiali", afferma Aspuru-Guzik: è stato uno dei primi a spingere l'informatica quantistica in questa direzione.
La modellazione quantistica si sta dimostrando utile anche sui più piccoli computer quantistici oggi disponibili. Un team di ricercatori, che include Aspuru-Guzik, ha sviluppato un algoritmo che hanno chiamato il "metodo variazionale per la risoluzione dei problemi nella meccanica quantistica" (di seguito - VMR). Questo algoritmo consente di trovare lo stato che consuma meno energia di una molecola, anche in qubit rumorosi. Al momento, può gestire solo molecole molto piccole con pochi elettroni. I computer classici svolgono bene questa operazione. Ma il potere del quantum è in costante crescita, come hanno dimostrato Gambetta e colleghi lo scorso settembre quando hanno utilizzato un dispositivo da sei kbit per calcolare la struttura elettronica di molecole come l'idruro di litio e l'idruro di berillio. Il lavoro è stato "una svolta significativa per le scienze quantistiche"come disse il fisico chimico Markus Reicher della Swiss Higher Technical School di Zurigo. "L'uso di BMP per modellare piccole molecole è un ottimo esempio di come possono essere applicati algoritmi euristici a breve termine", afferma Gambetta.
Ma, secondo Aspuru-Guzik, i qubit logici in grado di correggere gli errori saranno necessari anche prima che i computer quantistici superino quelli classici. "Non vedo l'ora che la correzione degli errori del calcolo quantistico diventi una realtà", ha commentato.
"Se avessimo più di duecento qubit, potremmo fare cose davvero innovative", ha aggiunto Reicher. "E con 5.000 qubit, un computer quantistico potrebbe avere un impatto importante sulla scienza".
Qual è il tuo volume?
Questi obiettivi sono incredibilmente difficili da raggiungere. Nonostante tutte le difficoltà, i computer quantistici da cinque qubit a 50 bit in un solo anno: questo fatto dà speranza. Tuttavia, non ti preoccupare troppo di questi numeri, perché raccontano solo una piccola parte della storia. Ora, non è più importante quanti qubit hai, ma quanto bene funzionano e quanto sono efficienti gli algoritmi che hai sviluppato.
Qualsiasi calcolo quantistico termina con la decoerenza, che mescola i qubit. Tipicamente, il tempo di decoerenza per un gruppo di qubit è di diversi microsecondi. Il numero di operazioni logiche che possono essere eseguite in un tempo così breve dipende dalla velocità di commutazione della porta quantistica. Se la velocità è troppo bassa, non importa quanti qubit hai a disposizione. Il numero di operazioni richieste per un dato calcolo è chiamato profondità di calcolo: gli algoritmi a bassa profondità sono più efficienti degli algoritmi profondi. Tuttavia, non è noto con certezza se siano utili nei calcoli.
Inoltre, non tutti i qubit sono ugualmente rumorosi. In teoria è possibile creare qubit a basso rumore da materiali che si trovano nel cosiddetto "stato elettronico topologico": se particelle in questo stato vengono utilizzate per codificare informazioni binarie, saranno protette dal rumore casuale. Nel tentativo di trovare particelle in uno stato topologico, i ricercatori della Microsoft stanno studiando principalmente materiali quantistici esotici. Tuttavia, non vi è alcuna garanzia che la loro ricerca avrà successo.
Per denotare la potenza del calcolo quantistico su un particolare dispositivo, i ricercatori dell'IBM hanno coniato il termine "volume quantistico". Questo è un numero che unisce tutti i fattori importanti: la profondità dell'algoritmo, il numero e la connettività dei qubit, nonché altri indicatori della qualità delle porte quantistiche (ad esempio, il rumore). In generale, questo "volume quantistico" caratterizza la potenza del calcolo quantistico. Secondo Gambetta, è ora necessario sviluppare apparecchiature informatiche quantistiche che aumenteranno il volume quantico disponibile.
Questo è uno dei motivi per cui la decantata supremazia quantistica è un'idea piuttosto vaga. L'idea che un computer quantistico a 50 qubit supererà i supercomputer moderni sembra allettante, ma rimangono molte domande irrisolte. Quando si risolve esattamente quali problemi un computer quantistico supera i supercomputer? Come si può determinare se un computer quantistico ha ricevuto la risposta corretta se non può essere verificata con un dispositivo classico? Cosa succede se un computer classico è più efficiente di un computer quantistico se viene trovato un algoritmo migliore?
Pertanto, la supremazia quantistica è un concetto che richiede cautela. Alcuni ricercatori preferiscono parlare di "vantaggio quantistico", di un balzo nello sviluppo delle tecnologie quantistiche, piuttosto che della vittoria finale dei computer quantistici su quelli convenzionali. Inoltre, la maggioranza cerca di non usare la parola "superiorità" in quanto contiene connotazioni politiche e razziste negative.
Indipendentemente dal nome, se gli scienziati possono dimostrare che i computer quantistici possono svolgere compiti che i dispositivi classici non possono fare, allora questo sarà un momento psicologico estremamente importante per questo campo. “La dimostrazione di un innegabile vantaggio quantistico passerà alla storia. Ciò dimostrerà che i computer quantistici possono davvero espandere le nostre capacità tecnologiche , afferma Aizert.
Forse questo sarà un evento simbolico, piuttosto che un cambiamento radicale nel campo dell'informatica. Tuttavia, vale la pena prestare attenzione. Se i computer quantistici superano i computer convenzionali, non sarà perché IBM e Google li lanciano improvvisamente sul mercato. Per raggiungere la supremazia quantistica, è necessario stabilire un intricato sistema di interazione tra sviluppatori e utenti. E quest'ultimo deve essere fermamente convinto che vale la pena provare la novità. Nel perseguire questa collaborazione, IBM e Google stanno cercando di fornire agli utenti i loro sviluppi il più rapidamente possibile. In precedenza, IBM offriva a tutte le iscrizioni al sito l'accesso al suo computer IBM Q a 16 qubit. Ora l'azienda ha sviluppato una versione da 20 qubit per i clienti aziendali, tra cui JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung e Oxford University. Tale collaborazione non solo aiuta i clienti a trovare qualcosa di utile e interessante, ma crea anche una comunità di programmatori quantistici che svilupperanno nuove funzioni e risolveranno problemi che non possono essere risolti all'interno di un'azienda.
"Affinché il campo dell'informatica quantistica si sviluppi attivamente, è necessario dare alle persone l'opportunità di utilizzare e studiare i computer quantistici", afferma Gambetta. "L'intero mondo scientifico e industriale deve ora concentrarsi su un compito: prepararsi per l'era dei computer quantistici".
Traduzione del progetto Nuovo
Philip Ball
