Alla ricerca di una reale supremazia quantistica dei computer

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Il problema della “superiorità quantistica”. I computer quantistici sono effettivamente superiori a quelli tradizionali? Ogni giorno, i computer quantistici risolvono un problema troppo difficile da affrontare per un computer classico. O almeno, è quello che speravamo. Scienziati e aziende stanno correndo verso questa rivoluzione nell’informatica, ma se hai seguito la storia dell’informatica quantistica, ti potresti chiedere perché non è ancora molto diffusa, visto tutto il clamore che le gira intorno.

La risposta breve è che il controllo delle proprietà quantistiche delle particelle è difficile. E anche se potessimo usarle per calcolare, “supremazia quantistica” è un termine fuorviante. La prima dimostrazione sulla supremazia quantistica sarà quasi certamente un problema inventato che non avrà un uso pratico. Ciononostante, è una pietra miliare cruciale quando si tratta di eseguire il benchmarking di questi dispositivi e stabilire cosa possono effettivamente fare. Quindi cosa ci trattiene dall’adottarli massivamente?

Stiamo per entrare in un mondo in cui con i dispositivi quantici faremo qualcosa che non potremmo fare con quelli tradizionali“, dice John Preskill, professore di fisica teorica presso il California Institute of Technology, inventore del termine “supremazia quantistica“. “Siamo ad uno stadio cruciale“.

Prima di andare avanti, sarà meglio capire bene che cos’è un computer quantico o, fondamentalmente, cos’è un computerI computer sono dispositivi che astraggono i dati e li memorizzano come  input, che manipolano tramite un sistema di istruzioni e algoritmi matematici. Tipicamente, i dati vengono memorizzati come bit manipolabili, dispositivi fisici a due scelte, consentendo ai sistemi di questi bit di produrre un output desiderato.

Sui computer quantistici, gli algoritmi sono mappati su un diverso tipo di architettura; invece dei bit, ci sono dispositivi a due scelte chiamati qubit che obbediscono alle strane regole della meccanica quantistica. Ogni qubit è una specie di dado a due facce che truccare appesantendolo con un pezzo di ferro per regolare la probabilità di rotolare su entrambi i lati.

Eseguire un calcolo quantico è come tirare i dadi. Ma puoi legare i qubit, che è come magnetizzare i pezzi di ferro in modo che i dadi possano essere trattati come un unico dado a più facce con il suo insieme di probabilità. Ciò potrebbe portare a interferenze, rendendo più probabile che alcuni lati dei dadi escano e che altri lati abbiano meno probabilità di farlo. I calcoli quantistici applicano delle porte a questi dadi impulsi di energia che influenzano ulteriormente la posizione del peso all’interno dei dadi cambiando ciò che succederà. Le applicazioni richiedono la mappatura di alcune informazioni su ciascun lato e spesso richiedono molti lanci di dadi per ottenere risultati interessanti.

Scienziati e aziende tecnologiche stanno perseguendo la realizzazione dei computer quantistici sia per il loro innato interesse scientifico, sia per il modo in cui potrebbero influire sull’intelligenza artificiale e sulla sicurezza informatica.

Presumibilmente, ci sono alcuni algoritmi che funzionerebbero più velocemente su un’architettura quantistica di quanto farebbero su un computer classico, in particolare l’algoritmo di Shor, che potrebbe calcolare numeri molto grandi più velocemente di quanto possano fare i computer classici. Un algoritmo in grado di calcolare rapidamente i numeri è importante perché la maggior parte della crittografia dei nostri giorni si basa sulla premessa che i computer classici possono facilmente moltiplicare due numeri insieme, ma impiegano un tempo irragionevolmente lungo per differenziarli.

Un computer in grado di eseguire l’algoritmo di Shor potrebbe rendere non sicura questa strategia di crittografia. Però, le reti neurali quantiche potrebbero aiutare a risolvere problemi di chimica, come trovare nuovi farmaci per curare le malattie, in modo molto più efficiente rispetto ai computer classici.computer-quantistico

Ma un computer quantistico per cui vale la pena di essere eccitato – o di preoccuparsi – dovrebbe essere migliore dei normali computer che fanno lo stesso compito. Ecco perché scienziati e aziende, in particolare Google, elencano la supremazia quantistica come una pietra miliare fondamentale per i loro dispositivi.

Dal punto di vista del business, la supremazia quantistica dimostra che un computer quantistico è migliore rispetto a un computer classico.

Ma da un punto di vista teorico, c‘è un’ipotesi chiamata tesi di Church-Turing che afferma che qualsiasi problema con il computer può essere risolto con un tipo astratto di computer ideato dal matematico Alan Turing nel 1936.

Questo computer teorico semplifica tutti i problemi di calcolo. Poi, c’è la tesi ampliata di Church-Turing – secondo cui nessun modello pratico di calcolo potrebbe risolvere i compiti molto più velocemente di una di queste macchine di Turing.

Gli scienziati informatici teorici hanno fornito prove evidenti del fatto che la tesi ampliata di Church-Turing era sbagliata, già all’inizio degli anni ’90. E una macchina capace di raggiungere la supremazia quantistica proverebbe sperimentalmente che la tesi è sbagliata.

La supremazia quantistica, dal punto di vista scientifico, ha lo scopo di fornire agli scienziati un modo concreto per determinare a che cosa i computer quantistici saranno e non saranno utili, e per confrontarli con i computer classici. Fino agli inizi degli anni ’90, gli scienziati informatici teorici escogitarono problemi inventati per i computer quantistici e compiti utili, come l’algoritmo di Shor, vennero dopo.

Inoltre, non è intrinsecamente inutile, poiché l’esperimento potrebbe rendere i computer quantici utili generatori di numeri casuali, che trovano applicazioni in crittografia, giochi d’azzardo, simulazioni e altro.

Ma come fare a raggiungere questo traguardo? Google ha richiesto l’aiuto della NASA nella sua ricerca come ha riferito lo scorso anno MIT Technology ReviewIl team di sviluppo sta costruendo e testando un chip con ciò che essi sperano siano qubit adatti a dimostrare la supremazia quantistica. Ci sono ricercatori che studiano questi stessi problemi di supremazia quantistica sui computer classici per confronto, oltre a lavorare sulla teoria computazionale per garantire prove rigorose del raggiungimento della supremazia.

I ricercatori dovranno in qualche modo verificare il risultato calcolato dal computer quantistico, anche se avrebbero appena eseguito un calcolo che un computer non quantico non può eseguire.

Con le considerevoli risorse e le menti della NASA, di Google, dell’IBM e di altre organizzazioni impegnate, potreste chiedervi quanto tempo ci vorrà. Per ora, i dispositivi quantici commerciali più grandi hanno circa 20 qubit, anche se IBM, Google e IonQ stanno testando rispettivamente dispositivi a 50,72 e anche 160 Qbit.

Questo spesso richiede il mantenimento del processore quasi allo zero assoluto, la temperatura alla quale le particelle hanno il minimo calore possibile. Il controllo di questo sistema si rivela incredibilmente difficile, dal momento che un minimo di energia proveniente dall’ambiente esterno potrebbe causare il collasso dei qubit in bit molto costosi e molto regolari.

Su questi sistemi limitati, i ricercatori possono eseguire solo una manciata di operazioni quantistiche, o “porte“, prima che lo stato quantico collassi. Coinvolgere troppi qubit porterà il sistema all’esaurimento. Ogni qubit aggiuntivo rende la macchina due volte più complessa. Gli impulsi elettromagnetici che controllano il sistema devono essere perfettamente progettati.

Gli scienziati quantistici non stanno solo cercando di battere i computer classici che simulano i computer quantistici. Stanno cercando di superare qualsiasi possibile soluzione che qualcuno possa programmare con un computer classico, il che è più difficile da provare. E i ricercatori dovranno in qualche modo verificare il risultato calcolato dal computer quantistico, anche se avessero appena eseguito un calcolo che un computer non quantico non può fare.

Scommetto che qualcuno dichiarerà presto l supremazia quantistica“, ha detto ha Gizmodo Graeme Smith, assistente professore all’Università di Boulder, “Ma sarà complicato verificare che lo abbiano fatto davvero.”

Insomma, nessuno ha ancora raggiunto la supremazia quantistica perché è davvero molto difficile.

Gli scienziati dell’IBM stanno lavorando su un compito forse più facile da raggiungere. Stanno cercando di dimostrare “il vantaggio quantico“. La differenza è sottile. La supremazia quantistica significa che un computer quantistico può eseguire calcoli che un computer classico non può eseguire in un ragionevole lasso di tempo. Il vantaggio quantico significa semplicemente che il computer quantistico può battere il computer classico in alcuni calcoli, anche se è solo un po’ migliore.

Alcuni ricercatori hanno escogitato prove matematiche con casi in cui i computer quantistici sono sempre migliori dei computer classici eseguendo lo stesso algoritmo. Ma in questo caso, al computer classico è stata data una limitazione simile a uno dei limiti dei computer quantistici di oggi: poter eseguire solo poche operazioni alla volta, come un qubit, che può eseguire solo poche operazioni finché non crolla.

La supremazia quantistica è un ostacolo da raggiungere, ma se il settore è alla ricerca di un algoritmo più veloce, allora il vantaggio quantico potrebbe permettere ai computer quantistici di essere impiegati nell’industria in tempi più brevi.

Per aziende come Google e IBM, questi termini utilizzati con una forte dose di relazioni pubbliche. “Stanno entrambi cercando di costruire computer quantistici programmabili“, ha detto a Gizmodo Aram Harrow, professore associato di fisica al MIT. “Google dirà che l’obiettivo è la supremazia, IBM dirà che l’obiettivo è il vantaggio. Questo, però, non porterà a una grande differenza nell’hardware che viene creato“.

In definitiva, quando un’azienda che costruisce un computer quantico annuncia inevitabilmente di aver raggiunto “la supremazia quantistica” o “il vantaggio quantico“, ma non ci sarà nessun cambiamento epocale per l’industria. Si riferiranno ancora a dispositivi relativamente piccoli e soggetti a errori, che i ricercatori chiamano NISQ o  macchine “quantiche rumorose su scala intermedia”.

Queste macchine dovranno ancora affrontare le stesse limitazioni che avevano prima che esistesse un dispositivo di supremazia o di vantaggio, come la quantità limitata di qubit disponibili o il numero inferiore di calcoli che un qubit può fare prima di perdere la sua natura quantica.

La supremazia quantistica è un trampolino di lancio per andare avanti per risolvere problemi più interessanti” , ha detto a Gizmodo Mekena Metcalf, ricercatrice presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Ma affinché i computer quantici diventino i dispositivi di simulazione del codice, che simulano le molecole del futuro, ci sono obiettivi specifici all’orizzonte. “saranno necessari ordini di grandezza di più qubit e lunga profondità di gate“, ha spiegato – e qubit che possono fare più calcoli prima di perdere il loro comportamento quantico.

Raggiungere questo stato richiederà hardware migliore, tra cui ottiche più precise per computer quantistici basati su atomi intrappolati con laser. Chi lavora su computer quantistici superconduttori spera di vedere miglioramenti ai collegamenti del sistema e un migliore controllo generale.

Entrambi i sistemi dovranno trovare modi per aumentare enormemente la scala e le dimensioni, il che non è facile come aggiungere più mattoncini a una torre Lego. I computer quantistici richiedono anche la correzione degli errori o la memorizzazione delle informazioni da un singolo qubit su più qubit fisici entangled per correggere eventuali errori.

Ciò che incombe sul campo, in particolare sul lato commerciale, sono tutte queste società che investono e costruiscono sistemi, ma se non riescono a trovare un’applicazione utile in 10 anni, cosa succede allora?” Ha detto Preskill. “Ci sarà un crash quantico perché il potenziale non è stato realizzato?” Almeno per ora, il governo degli Stati Uniti ha approvato un progetto di legge per iniettare denaro in questo settore al fine di formare più scienziati e trasferire conoscenze.

La supremazia quantistica è all’orizzonte e il suo perseguimento continua a spingere il progresso scientifico in modi fondamentali e profondi. Ma dimostrare la supremazia quantistica per un problema non porterà i computer quantistici più vicini alla tua scrivania. È fondamentale continuare a sottolineare le incertezze sul campo, specialmente quando si parla di potenziale a breve termine.

I computer quantistici evidenziano che la scienza e la tecnologia hanno obiettivi diversi e perseguono due obiettivi molto diversi attraverso i quali comprendere la supremazia quantistica. La tecnologia può sembrare una marcia senza fine verso un prodotto migliore. Ma la scienza è più lenta, imprevedibile e spesso più rigorosa: richiede che siano coperte tutte le basi per capire come funzionano questi nuovi dispositivi rivoluzionari prima di poter affermare che i computer quantistici sono effettivamente superiori.

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