Serie di scoperte nell'informatica quantistica
Un computer ordinario, oggi definito computer classico o tradizionale, funziona sul concetto fondamentale di 0 e 1 (zero e uno). Quando chiediamo al computer di svolgere un compito per noi, ad esempio un calcolo matematico, la prenotazione di un appuntamento o qualsiasi altra operazione quotidiana, questo compito viene convertito (o tradotto) in una sequenza di 0 e 1 (chiamata input). Questo input viene elaborato da un algoritmo (definito come un insieme di regole da seguire per completare un'operazione sul computer). Dopo questa elaborazione, viene restituita una nuova sequenza di 0 e 1 (chiamata output), che codifica il risultato atteso e viene ritradotta in informazioni più semplici e comprensibili per l'utente, come una "risposta" alla richiesta dell'utente. È affascinante notare come, per quanto intelligente o ingegnoso possa sembrare un algoritmo e per quanto complesso possa essere il compito, un algoritmo informatico faccia sempre la stessa cosa: manipolare una sequenza di bit, dove ogni bit è 0 o 1. La manipolazione avviene a livello software (nel computer) e a livello hardware è rappresentata da circuiti elettrici (sulla scheda madre). In termini hardware, questi circuiti sono chiusi quando vi scorre corrente, mentre sono aperti quando non c'è corrente.
Computer classico contro computer quantistico
Pertanto, nei computer classici, un bit è una singola informazione che può esistere in due possibili stati: 0 o 1. Tuttavia, se parliamo di computer quantistici , questi utilizzano solitamente bit quantistici (chiamati anche qubit). Si tratta di sistemi quantistici con due stati, ma a differenza del bit tradizionale (memorizzato come 0 o 1), i qubit possono memorizzare molte più informazioni e possono esistere in qualsiasi combinazione di questi valori. Per spiegarlo meglio, un qubit può essere immaginato come una sfera, dove un qubit può essere un punto qualsiasi sulla sfera. Si può affermare che l'informatica quantistica sfrutta la capacità delle particelle subatomiche di esistere in più di uno stato contemporaneamente, pur rimanendo mutuamente esclusive. D'altra parte, un bit classico può trovarsi solo in due stati, ad esempio alle estremità di due poli della sfera. Nella vita di tutti i giorni non siamo in grado di vedere questa "sovrapposizione" perché, una volta che un sistema viene considerato nella sua interezza, queste sovrapposizioni scompaiono, ed è per questo che la comprensione di tali sovrapposizioni risulta poco chiara.
Ciò significa che i computer quantistici, utilizzando i qubit, possono memorizzare un'enorme quantità di informazioni con un consumo energetico inferiore rispetto a un computer classico, consentendo così di eseguire operazioni e calcoli in tempi relativamente molto più rapidi. Un computer classico, ad esempio, può rappresentare 0 o 1, quindi due bit possono assumere quattro possibili stati (00, 01, 10 o 11), ma in un dato momento è rappresentato un solo stato. Un computer quantistico, invece, opera con particelle in sovrapposizione, permettendo a due qubit di rappresentare contemporaneamente gli stessi quattro stati grazie alla proprietà di sovrapposizione, liberando così i computer dal vincolo binario. Questo equivale a quattro computer in esecuzione simultanea e, sommando questi qubit, la potenza di calcolo del computer quantistico cresce esponenzialmente. I computer quantistici sfruttano anche un'altra proprietà della fisica quantistica chiamata "entanglement quantistico", definita da Albert Einstein. L'entanglement è una proprietà che permette alle particelle quantistiche di connettersi e comunicare indipendentemente dalla loro posizione nell'universo, in modo che la modifica dello stato di una possa influenzare istantaneamente l'altra. La duplice capacità di "sovrapposizione" e "entanglement" è in linea di principio molto potente. Pertanto, ciò che un computer quantistico può realizzare è inimmaginabile se paragonato ai computer classici. Tutto ciò sembra molto entusiasmante e semplice, tuttavia, c'è un problema in questo scenario. Un computer quantistico, se prende in input dei qubit (bit sovrapposti), anche il suo output sarà in uno stato quantistico, ovvero un output con bit sovrapposti che possono cambiare a seconda dello stato in cui si trovano. Questo tipo di output non ci permette di ricevere tutte le informazioni e quindi la sfida più grande nell'ambito dell'informatica quantistica è trovare il modo di ottenere quante più informazioni possibili da questo output quantistico.
Il computer quantistico sarà qui!
I computer quantistici possono essere definiti come potenti macchine, basate sui principi della meccanica quantistica, che adottano un approccio completamente nuovo all'elaborazione delle informazioni. Il loro obiettivo è esplorare complesse leggi della natura che sono sempre esistite ma che solitamente sono rimaste nascoste. Se tali fenomeni naturali potessero essere esplorati, il calcolo quantistico potrebbe eseguire nuovi tipi di algoritmi per elaborare le informazioni, il che potrebbe portare a scoperte innovative nella scienza dei materiali, nella scoperta di farmaci, nella robotica e nell'intelligenza artificiale. L'idea di un computer quantistico fu proposta dal fisico teorico americano Richard Feynman già nel 1982. Oggi, aziende tecnologiche (come IBM, Microsoft, Google, Intel) e istituzioni accademiche (come il MIT e l'Università di Princeton) stanno lavorando su prototipi di computer quantistici per creare un computer quantistico di uso comune. La International Business Machines Corp. (IBM) ha recentemente affermato che i suoi scienziati hanno costruito una potente piattaforma di calcolo quantistico, resa disponibile all'accesso, ma ha sottolineato che non è ancora sufficiente per svolgere la maggior parte delle attività. Si dice che un prototipo a 50 qubit attualmente in fase di sviluppo possa risolvere molti problemi che oggi vengono affrontati dai computer classici e che in futuro i computer a 50-100 qubit colmerebbero ampiamente il divario, ovvero un computer quantistico con solo poche centinaia di qubit sarebbe in grado di eseguire simultaneamente più calcoli di quanti siano gli atomi nell'universo conosciuto . Realisticamente parlando, il percorso che porterà un computer quantistico a superare effettivamente un computer classico in compiti complessi è irto di difficoltà e sfide. Recentemente Intel ha dichiarato che il suo nuovo computer quantistico a 49 qubit rappresenta un passo avanti verso questa "supremazia quantistica", un importante progresso per l'azienda che solo due mesi prima aveva presentato un sistema a 17 qubit. La loro priorità è continuare ad espandere il progetto, partendo dal presupposto che l'aumento del numero di qubit sia la chiave per creare computer quantistici in grado di fornire risultati concreti.
Il materiale è la chiave per costruire computer quantistici
Il silicio è da decenni parte integrante dell'informatica, poiché le sue caratteristiche principali lo rendono particolarmente adatto al calcolo classico (o generale). Tuttavia, per quanto riguarda il calcolo quantistico, le soluzioni basate sul silicio non sono state adottate principalmente per due motivi: in primo luogo, è difficile controllare i qubit fabbricati sul silicio e, in secondo luogo, non è ancora chiaro se i qubit al silicio possano essere scalati con la stessa efficacia di altre soluzioni. Recentemente, Intel ha sviluppato un nuovo tipo di qubit, noto come "qubit di spin", prodotto su silicio convenzionale. I qubit di spin sono molto simili ai semiconduttori e forniscono la loro potenza quantistica sfruttando lo spin di un singolo elettrone su un dispositivo al silicio e controllandone il movimento con minuscoli impulsi a microonde. Due importanti vantaggi che hanno spinto Intel a intraprendere questa direzione sono, in primo luogo, il fatto che Intel, come azienda, ha già investito massicciamente nell'industria del silicio e possiede quindi le competenze necessarie in questo campo. In secondo luogo, i qubit al silicio sono più vantaggiosi perché sono più piccoli dei qubit convenzionali e si prevede che mantengano la coerenza per un periodo di tempo più lungo. Questo è di fondamentale importanza quando i sistemi di calcolo quantistico devono essere scalati (ad esempio, passando da 100 a 200 qubit). Intel sta testando questo prototipo e prevede di produrre chip con migliaia di piccoli array di qubit; una produzione di questo tipo, se effettuata su larga scala, può essere estremamente utile per scalare i computer quantistici e rappresentare una vera svolta.
In una recente ricerca pubblicata su Science , un team dell'Università del Maryland, negli Stati Uniti, ha sviluppato un nuovo modello per cristalli fotonici (ovvero un design cristallino implementato su un chip fotonico), che, a loro dire, renderà i computer quantistici più accessibili² . Questi fotoni rappresentano la più piccola quantità di luce conosciuta e questi cristalli sono stati forati, causando l'interazione della luce. Diverse configurazioni di fori modificano il modo in cui la luce si piega e rimbalza attraverso il cristallo; in questo caso, sono stati realizzati migliaia di fori triangolari. Tale utilizzo di singoli fotoni è importante per il processo di creazione di computer quantistici, poiché questi computer avranno la capacità di calcolare grandi numeri e reazioni chimiche che i computer attuali non sono in grado di eseguire. Il design del chip consente il trasferimento di fotoni tra computer quantistici senza alcuna perdita. Questa perdita è stata considerata una grande sfida per i computer quantistici e, pertanto, questo chip risolve il problema, consentendo un percorso efficiente delle informazioni quantistiche da un sistema all'altro.
Futuro
I computer quantistici promettono di eseguire calcoli molto al di là di qualsiasi supercomputer convenzionale. Hanno il potenziale per rivoluzionare la scoperta di nuovi materiali rendendo possibile simulare il comportamento della materia fino al livello atomico. Inoltre, alimenta la speranza per l'intelligenza artificiale e la robotica elaborando i dati in modo più rapido ed efficiente. Fornire un sistema di calcolo quantistico commercialmente valido potrebbe essere fatto da una qualsiasi delle principali organizzazioni nei prossimi anni poiché questa ricerca è ancora aperta e un gioco equo per tutti. Sono previsti importanti annunci nei prossimi cinque-sette anni e idealmente parlando con la serie di progressi fatti, i problemi di ingegneria dovrebbero essere affrontati e un computer quantistico da 1 milione o più qubit dovrebbe essere una realtà.
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Fonte (s)
1. Castelvecchi D. 2018. Il silicio guadagna terreno nella corsa al calcolo quantistico. Nature. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Un'interfaccia di ottica quantistica topologica. Science. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
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