Il computer quantisico: sarà il futuro?

Da Wired

Cos'è davvero un computer quantistico e perché potrebbe cambiare il mondo 

Trapelato un articolo scientifico in cui Google afferma di essere riuscita a conseguire la “supremazia quantistica” con un processore superconduttivo. È l’inizio di una rivoluzione attesa da tempo

di Sandro Iannaccone, 27 set 2019

Notizia bomba nel campo dell’informatica quantistica. 

Trapelata, poi ritirata, ma mai smentita né confermata ufficialmente. La scorsa settimana è apparso su sito della Nasa un paper dal titolo Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, ossia Supremazia quantistica usando un processore superconduttivo programmabile. 

L’articolo è rimasto online per poche ore (fortunatamente qualche anima pia ha provveduto a salvarlo) ma tanto è bastato a generare una valanga di commenti, controversie, polemiche, supposizioni e speranze tra la comunità degli addetti ai lavori. Questo il succo: Sycamore, il computer quantistico di Google, sarebbe riuscito a conseguire la cosiddetta supremazia quantistica, ossia a svolgere nel giro di pochi minuti, e per la prima volta al mondo, una serie di operazioni che i computer tradizionali impiegherebbero decine di migliaia di anni a svolgere. Abbiamo cercato di capire, con l’aiuto di un esperto, quanto c’è da fidarsi, perché si tratta di una notizia così importante e cosa potrebbe cambiare nel futuro qualora fosse confermata. 

Recap: cos’è e come funziona un computer quantistico 

Cominciamo dalle basi, anche per sgomberare il campo da ambiguità e incomprensioni. Un computer quantistico sfrutta alcune tra le proprietà più bizzarre e controintuitive della meccanica quantistica per ottenere una potenza di calcolo di gran lunga superiore rispetto a quella di un computer (e di un supercomputer) classico. Come tutti sanno, l’unità minima di informazione di un processore convenzionale è il bit, un’entità binaria che può assumere i valori zero e uno a seconda del passaggio o meno di corrente. Dal canto loro, i processori quantistici usano i qubit, in genere particelle subatomiche come fotoni o elettroni, che invece possono immagazzinare molte più informazioni: “I processori tradizionali”, racconta Tommaso Calarco, direttore del Jara-Institute Quantum Information e presiedente dello European Quantum Flagship Network, “ammettono solo due stati, lo zero e l’uno, legati al passaggio o al non-passaggio di corrente, cioè di un flusso di elettroni. Nei processori quantistici, invece, ogni singolo elettrone trasporta un’informazione, il che amplifica enormemente la potenza di calcolo”. 

Le leggi della meccanica quantistica, infatti, postulano (tra le altre cose) che ogni particella sia soggetta al cosiddetto principio di sovrapposizione, ossia – per dirla rozzamente – si possa trovare contemporaneamente, con probabilità diverse, in più stati differenti. “Il principio di sovrapposizione consente di superare il dualismo acceso/spento e di veicolare molta più informazione: una particella quantistica può rappresentare contemporaneamente più stati”. Il qubit, insomma, permette di parallelizzare i calcoli, cioè di svolgere molte, moltissime operazioni contemporaneamente. 

Non sostituirà i computer tradizionali, per ora 

Attenzione: quanto detto finora, probabilmente, non vuol dire che nel prossimo futuro i processori classici andranno definitivamente in pensione. Per la maggior parte delle operazioni convenzionali saranno ancora l’opzione più efficiente ed economica: usare un computer quantistico per il rendering di un video o per abbattere i mostri di un videogioco sarebbe come sparare a una mosca con un cannone. Diverso è il caso di settori come la scienza dei materiali, o l’industria farmaceutica, o la fisica delle particelle: in questi scenari un processore quantistico potrebbe davvero cambiare completamente – e per sempre – le regole del gioco, rendendo possibili avanzamenti tecnologici di vastissima portata e difficili da prevedere a priori. 

A che punto siamo? 

Questi mesi rappresentano una fase cruciale nella storia dello sviluppo dei computer quantistici. 

Appena pochi giorni prima del leak di Google, Ibm ha annunciato che a ottobre prossimo consentirà a ingegneri, fisici e informatici di accedere da remoto a un computer quantistico a 53 qubit, il più potente mai costruito dall’azienda e il maggiore mai messo a disposizione per uso esterno. La notizia è arrivata a coronamento di sforzi che vanno avanti da anni: nel 2017, come vi avevamo raccontato, gli scienziati di Ibm erano riusciti a simulare con successo un computer quantistico a 56 qubit all’interno di un processore tradizionale con 4.5 terabyte di memoria. 

Dal canto suo, invece, Google ha a disposizione Sycamore, un computer a 54 qubit (uno dei quali sembra non funzionare come dovrebbe, e pertanto ne vengono utilizzati 53), e un altro sistema a 72 qubit, che al momento si è rivelato però troppo difficile da controllare. Tutto perché i sistemi quantistici sono estremamente delicati, e particolarmente suscettibili anche a impercettibili interferenze esterne (termiche ed elettromagnetiche, per esempio): “Per dare un’idea della difficoltà enorme di gestire e controllare i computer quantistici”, ci spiega ancora Calarco, “si può pensare ai qubit come ai componenti di un’orchestra chiamata a suonare la nona sinfonia di Beethoven. Però ciascun musicista deve riuscire a farlo con guantoni da boxe alle mani e casco sulla testa. E in una stanza tenuta a novanta gradi di temperatura. È un compito veramente molto, molto difficile”. 

Supremazia quantistica vs vantaggio quantistico 

Veniamo a Google. Cosa vuol dire supremazia quantistica? “Di per sé, si tratta di un concetto molto semplice”, dice ancora Calarco. “Vuol dire riuscire a risolvere, con un computer quantistico, un calcolo che un computer tradizionale non riuscirebbe a risolvere, quantomeno in un tempo ragionevole”. Nella fattispecie, Sycamore è riuscita a dimostrare che una sequenza di numeri casuali è realmente casuale (un problema matematicamente molto complesso) in circa tre minuti e venti secondi; Summit, il supercomputer (tradizionale) più potente al mondo, ci impiegherebbe circa 10mila anni. 

“Il problema risolto da Sycamore, in sé, è del tutto inutile, o meglio ha interesse puramente accademico. La sua importanza è legata al fatto che riuscire a risolverlo dimostra una volta per tutte che abbiamo conseguito la supremazia quantistica. È il coronamento di quello che pensavamo fosse solo un sogno, e che ora sappiamo in realtà essere fattibile”. Il prossimo passo, spiega ancora Calarco, sarà passare dalla supremazia quantistica al vantaggio quantistico, cioè all’effettiva progettazione di algoritmi da far svolgere ai computer quantistici del futuro. È come se in questo momento abbiamo mostrato che è possibile costruire una macchina velocissima, ma ci mancano ancora strade, distributori di benzina, infrastrutture. E soprattutto partenze e destinazioni. “È ancora decisamente troppo presto per immaginare tutte le applicazioni. Potrebbero essere davvero sterminate, e strabilianti. I prossimi passi sono anzitutto migliorare ulteriormente l’hardware, arrivando a controllare con precisione sistemi a 100 o più qubit, e poi lavorare allo sviluppo di algoritmi che permettano di arrivare al vantaggio quantistico”. 

Il futuro ci attende.

Lo scorrere del tempo avanti ed indietro...

Da everyeye.it

Dei fisici hanno invertito il tempo usando un computer quantistico

di Simone Caporali, 21 lug 2019

Il tempo va in una sola direzione: avanti. Lo sappiamo, lo abbiamo sempre sperimentato. Ci ricordiamo cosa abbiamo mangiato (solitamente) a pranzo ieri, ma non possiamo ricordare il pranzo del giorno successivo. Oppure sì? 

Fisici americani e russi hanno collaborato per provare a rompere, mettere alla prova, scalfire una delle leggi fisiche riguardanti l'energia: la seconda legge della termodinamica. 

Che legge sarebbe? Ha molte formulazioni, ma in poche parole dice che le cose calde diventano fredde nel tempo mentre l'energia si diffonde dalle aree dove è maggiormente intensa. Ci dice che se vi preparate un thè, esso non rimarrà caldo per sempre all'interno di una stanza più fredda. 

"Questa legge è strettamente correlata alla nozione di freccia del tempo che postula la direzione del tempo a senso unico, dal passato al futuro", afferma il fisico quantistico Gordey Lesovik dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca. In un certo senso, con alcune accortezze, infrangerla sarebbe come affermare di poter viaggiare nel tempo. 

Se immaginiamo un tavolo da biliardo e zummando guardiamo una singola collisione tra due palle, anche se vista al contrario non noteremmo nulla di strano. Tuttavia, se vedessimo le palle uscire dalle loro buche e riformare la piramide da cui le avevamo fatte partire, questo si che sarebbe stupefacente. 

Ora pensiamo agli elettroni. Questi sono come minuscole palle da biliardo, ma anche qualcosa di più. Sono informazioni che occupano uno spazio. I loro parametri sono definiti dalla famosa equazione di Schrödinger, grazie alla quale si determina l'evoluzione temporale dello stato di un sistema (in questo caso, appunto, di un elettrone). 

Per semplicità immaginiamo nuovamente il tavolo da biliardo, l'elettrone come una palla e spegniamo la luce. Se lanciamo la palla, dopo un certo tempo, potrà essere in qualsiasi posto del tavolo e avrà una certa velocità che non conosciamo. Tuttavia ci sono alcune zone dove sarà più probabile trovarla.

Se vogliamo sapere dov'è la nostra palla, dovremo afferrarla con la mano, perdendo in questo modo, però, tutta l'informazione sulla sua velocità. Se invece proviamo a sfiorarla cercando di capire a che velocità stia andando, non saremo in grado di determinarne la posizione esatta. Tuttavia se ci concentriamo sul momento in cui la lanciamo la prima volta, qualche istante dopo, siamo sicuri di due cose: si trova ancora vicino a noi e ha una velocità considerevole.

In un certo senso, l'equazione di Schrödinger predice la stessa cosa per le particelle quantistiche. Nel tempo, le possibilità delle posizioni e delle velocità di una particella si espandono.

"Tuttavia, l'equazione di Schrödinger è reversibile", dice lo scienziato dei materiali Valerii Vinokur dell'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti. "Matematicamente, significa che sotto una certa trasformazione chiamata coniugazione complessa, l'equazione descriverà un elettrone 'spalmato' che si localizza nuovamente in una piccola regione dello spazio nello stesso periodo di tempo."

Come se la palla da biliardo, invece di perdersi chissà dove al buio sul tavolo, tornasse nella nostra mano.

In teoria, non c'è nulla che impedisca che si verifichi spontaneamente. Però servirebbe fissare 10 miliardi di tavoli da biliardo elettronici ogni secondo e la vita del nostro Universo per vederlo accadere una volta. Diciamo che è improbabile.

Piuttosto che aspettare pazientemente, il team ha usato gli stati indeterminati delle particelle in un computer quantistico (ormai sempre più vicini) come palla da biliardo, e alcune manipolazioni intelligenti del computer come loro 'macchina del tempo'.

Ciascuno di questi stati, o qubit, era organizzato in uno stato semplice che corrispondeva a una mano che teneva la palla. Una volta che il computer quantistico è stato messo in azione, questi stati si sono diffusi in una gamma di possibilità. Modificando certe condizioni nel setup del computer, quelle possibilità erano in realtà limitate, in modo da riavvolgere deliberatamente l'equazione di Schrödinger.

Per testare questo il team ha lanciato di nuovo il set-up, come se prendendo a calci un tavolo da biliardo si vedessero le palline riarrangiarsi nella forma iniziale, la piramide. In circa l'85% delle prove basate su due soli qubit, questo è esattamente quello che è successo.

A livello pratico, gli algoritmi utilizzati per manipolare l'equazione di Schrödinger in 'riavvolgimento' in questo modo potrebbero contribuire a migliorare l'accuratezza dei computer quantistici.

FONTE: Sciencealert.com

Intel: il futuro dei processori (e non solo)

Da Tom's Hardware

Intel pronta con un processore quantistico con 17 qubit

Intel ha sfornato e consegnato il suo primo chip quantistico con 17 qubit. Un passo importante, ma solo il primo di una lunghissima serie, verso il computer quantistico.

di Manolo De Agostini @mdeagostini, 11 ott 2017

Intel sulle orme di IBM. L'azienda statunitense ha annunciato di aver consegnato un chip quantistico con 17 qubit a QuTech, partner olandese con cui collabora. 

Il nuovo chip prodotto da Intel segna un ulteriore sviluppo nel campo dei computer quantistici.

Al centro di tutto non ci sono i bit, ma i qubit, l'unità di informazione quantistica. 

Questi sono i blocchi fondanti di un computer quantistico, come i bit lo sono in un computer tradizionale. Usando i qubit - che possono assumere nello stesso tempo il valore 0, 1 o entrambi - i ricercatori credono che i computer saranno in grado di processare "più soluzioni per un singolo problema nello stesso momento" piuttosto che svolgere calcoli sequenziali. Il tutto a una velocità senza precedenti.

In questo modo saranno risolti problemi complessi che i computer più moderni, basati su architettura tradizionale, non sono in grado di risolvere o che impiegherebbero anni a risolvere. 

Chimica, scienza dei materiali e modellazione molecolare sono solo alcuni dei settori in cui i computer quantistici potrebbero portare a una svolta. 

Ad esempio potrebbero contribuire a creare un nuovo catalizzatore per sequestrare l'anidride carbonica, un superconduttore a temperatura ambiente o scoprire nuovi farmaci.

A oggi malgrado i progressi, le molte teorie e le sperimentazioni, permangono sfide intrinseche alla costruzione di sistemi quantici di grandi dimensioni su vasta scala capaci di produrre risultati precisi. Creare qubit uniformi e stabili è una di queste sfide.

I qubit sono molto fragili e qualsiasi tipo di rumore od osservazione involontaria può portare a una perdita di dati. Questa fragilità richiede che operino a circa 20 millikelvin - 250 volte più freddo dello spazio profondo, e questo ambiente operativo estremo rende il "packaging" dei qubit cruciale per le loro prestazioni e il funzionamento.

Due team di Intel, il Components Research Group (CR) in Oregon e l'Assembly Test and Technology Development (ATTD) in Arizona, sono riusciti a confezionare un chip con 17 qubit con un'architettura che ne garantisce maggiore stabilità a temperature più alte e la riduzione delle interferenze RF tra ogni qubit. 

Il chip può inviare e ricevere da 10 a 100 volte più segnale rispetto a chip comparabili "wire-bonded" e ha un design avanzato che permette alle tecniche usate di essere applicate a circuiti quantistici più grandi.

"La nostra ricerca quantistica sta avanzando fino al punto in cui il nostro partner QuTech sta simulando algoritmi quantistici.
Intel sta realizzando regolarmente nuovi chip di test nei propri impianti di produzione", ha affermato Michael Mayberry, vicepresidente corporate e amministratore delegato di Intel Labs. "La nostra competenza nella fabbricazione, nell'elettronica di controllo e nell'architettura ci distingue e ci aiuterà mentre ci avventuriamo in nuovi paradigmi di calcolo, dal neuromorfico al calcolo quantistico".

"Con questo chip ci concentreremo sul collegamento, il controllo e la misurazione di qubit multipli", ha affermato il professor Leo DiCarlo di QuTech. "Questo lavoro ci permetterà di ottenere nuove conoscenze nel calcolo quantistico che daranno forma alla prossima fase di sviluppo".

Intel e QuTech non stanno collaborando solo sull'hardware, ma sull'intero stack, quindi anche la parte software.
D'altronde la potenza è nulla senza controllo.
Intel sta inoltre studiando più tipi di qubit, dai qubit superconduttori integrati nel nuovo chip a un tipo alternativo chiamato "spin qubit in silicon" dove gli spin qubit ricordano un transistor con un singolo elettrone, simile in molti modi ai transistor tradizionali e potenzialmente in grado di essere prodotto con processi comparabili.