Serie di scoperte nell'informatica quantistica
Un computer ordinario, che ora viene chiamato computer classico o tradizionale, funziona sul concetto di base di 0 e 1 (zeri e uno). Quando chiediamo il computer per svolgere un compito per noi, ad esempio un calcolo matematico o la prenotazione di un appuntamento o qualsiasi cosa relativa alla vita quotidiana, questo compito in un dato momento viene convertito (o tradotto) in una stringa di 0 e 1 (che viene quindi chiamata input), questo input viene elaborato da un algoritmo (definito come un insieme di regole da seguire per completare un'attività su un computer). Dopo questa elaborazione, viene restituita una nuova stringa di 0 e 1 (chiamata output), che codifica per il risultato atteso e viene tradotta di nuovo in informazioni più semplici e intuitive come una "risposta" a ciò che l'utente voleva che il computer facesse . È affascinante che non importa quanto intelligente o intelligente possa apparire l'algoritmo e qualunque sia il livello di difficoltà del compito, un algoritmo di computer fa solo questa cosa - manipolare stringhe di bit - dove ogni bit è 0 o 1. Il la manipolazione avviene sul computer (alla fine del software) ea livello di macchina questa è rappresentata dai circuiti elettrici (sulla scheda madre del computer). Nella terminologia hardware, quando la corrente passa attraverso questi circuiti elettrici, è chiusa ed è aperta 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 quantistico computer, di solito usano bit quantistici (chiamati anche "qubit"). Questi sono sistemi quantistici con due stati, tuttavia, a differenza del solito bit (memorizzato come 0 o 1), i qubit possono memorizzare molte più informazioni e possono esistere in qualsiasi supposizione di questi valori. Per spiegare meglio, un qubit può essere pensato come una sfera immaginaria, dove qubit può essere qualsiasi punto della sfera. Si può dire che l'informatica quantistica sfrutta la capacità delle particelle subatomiche di esistere in più di uno stato in un dato momento ed essere ancora reciprocamente esclusive. D'altra parte, un bit classico può essere solo in due stati: esempio all'estremità di due poli della sfera. Nella vita ordinaria non siamo in grado di vedere questa "sovrapposizione" perché una volta che un sistema è visto nella sua interezza, queste sovrapposizioni scompaiono e questo è il motivo per cui la comprensione di tali sovrapposizioni non è chiara.
Ciò significa per i computer è che i computer quantistici che utilizzano i qubit possono archiviare un’enorme quantità di informazioni utilizzando meno energia rispetto a un computer classico e quindi operazioni o calcoli possono essere eseguiti relativamente molto più velocemente su un computer quantistico. Quindi, un computer classico può accettare 0 o 1, due bit in questo computer possono trovarsi in quattro possibili stati (00, 01, 10 o 11), ma viene rappresentato solo uno stato alla volta. Un computer quantistico, d'altro canto, funziona con particelle che possono essere in sovrapposizione, consentendo a due qubit di rappresentare esattamente gli stessi quattro stati contemporaneamente grazie alla proprietà di sovrapposizione che libera i computer dal "vincolo binario". Ciò può equivalere a quattro computer che funzionano contemporaneamente e se aggiungiamo questi qubit, la potenza del computer quantistico cresce in modo esponenziale. I computer quantistici sfruttano anche un'altra proprietà della fisica quantistica chiamata 'entanglement quantistico', definita da Albert Einstein, l'entanglement è una proprietà che consente alle particelle quantistiche di connettersi e comunicare indipendentemente dalla loro posizione nello spazio. universo in modo che il cambiamento dello stato di uno possa influenzare istantaneamente l'altro. In linea di principio, le duplici capacità di "sovrapposizione" e "entanglement" sono piuttosto potenti. Pertanto, ciò che un computer quantistico può ottenere è inimmaginabile rispetto ai computer classici. Tutto ciò sembra molto eccitante e semplice, tuttavia, c'è un problema in questo scenario. Un computer quantistico, se accetta qubit (bit sovrapposti) come input, anche il suo output sarà similmente in uno stato quantistico, ovvero un output con bit sovrapposti che può anche continuare a cambiare a seconda dello stato in cui si trova. Questo tipo di output non Non ci permettono davvero di ricevere tutte le informazioni e quindi la sfida più grande nell'arte dell'informatica quantistica è trovare modi per ottenere quante più informazioni da questo output quantistico.
Il computer quantistico sarà qui!
I computer quantistici possono essere definiti come macchine potenti, basate sui principi della meccanica quantistica che adottano un approccio completamente nuovo all’elaborazione delle informazioni. Cercano di esplorare le complesse leggi della natura che sono sempre esistite ma che di solito sono rimaste nascoste. Se tali fenomeni naturali potessero essere esplorati, l’informatica quantistica potrebbe eseguire nuovi tipi di algoritmi per elaborare le informazioni e ciò 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 è stata proposta dal fisico teorico americano Richard Feynman nel lontano 1982. E oggi, aziende tecnologiche (come IBM, Microsoft, Google, Intel) e istituzioni accademiche (come il MIT e l’Università di Princeton) stanno lavorando sulla teoria quantistica. prototipi di computer per creare un computer quantistico tradizionale. International Business Machines Corp. (IBM) ha recentemente affermato che i suoi scienziati hanno costruito una potente piattaforma di calcolo quantistico e che può essere resa disponibile per l'accesso, ma sottolinea che non è sufficiente per eseguire la maggior parte dei compiti. Affermano che un prototipo da 50 qubit attualmente in fase di sviluppo può risolvere molti problemi che i computer classici fanno oggi e in futuro computer da 50-100 qubit colmerebbero ampiamente il divario, ovvero un computer quantistico con solo poche centinaia di qubit sarebbe in grado di eseguire più calcoli simultaneamente di quanti siano gli atomi conosciuti universo. Realisticamente parlando, il percorso verso il quale un computer quantistico può effettivamente superare un computer classico in compiti difficili è pieno di difficoltà e sfide. Recentemente Intel ha dichiarato che il nuovo computer quantistico a 49 qubit dell'azienda rappresenta un passo verso questa "supremazia quantistica", in un importante progresso per l'azienda che aveva dimostrato un sistema qubit a 17 bit solo appena 2 mesi fa. La loro priorità è continuare ad espandere il progetto, sulla base della consapevolezza che l’espansione del numero di qubit è la chiave per creare computer quantistici in grado di fornire risultati nel mondo reale.
Il materiale è la chiave per costruire computer quantistici
Il silicio materiale è stato parte integrante dell'informatica per decenni perché il suo insieme chiave di capacità lo rende adatto per l'elaborazione generale (o classica). Tuttavia, per quanto riguarda l'informatica quantistica, le soluzioni basate sul silicio non sono state adottate principalmente per due motivi, in primo luogo è difficile controllare i qubit prodotti su silicio e, in secondo luogo, non è ancora chiaro se i qubit di silicio possano scalare così come altri soluzioni. In un importante progresso Intel ha sviluppato di recente1 un nuovo tipo di qubit noto come "spin qubit" che viene prodotto su silicio convenzionale. Gli spin qubit assomigliano molto all'elettronica dei semiconduttori e forniscono la loro potenza quantistica sfruttando lo spin di un singolo elettrone su un dispositivo di silicio e controllando il movimento con minuscoli impulsi a microonde. I due principali vantaggi che hanno portato Intel a muoversi in questa direzione sono: in primo luogo, Intel, in quanto azienda, ha già pesantemente investito nell'industria del silicio e quindi ha la giusta esperienza nel settore del silicio. In secondo luogo, i qubit di 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 primaria importanza quando i sistemi di calcolo quantistico devono essere scalati (ad esempio passando da 100 qubit a 200 qubit). Intel sta testando questo prototipo e l'azienda prevede di produrre chip con migliaia di piccoli array di qubit e una tale produzione, se eseguita in blocco, può essere molto utile per ampliare i computer quantistici e può essere un vero punto di svolta.
In una recente ricerca pubblicata su Scienze, un team dell'Università del Maryland, negli Stati Uniti, ha sviluppato un modello di nuova concezione per i cristalli fotonici (ovvero un design di cristallo implementato su un chip fotonico), che secondo loro renderà i computer quantistici più accessibili2. Questi fotoni sono la più piccola quantità di luce conosciuta e questi cristalli erano trincerati con fori che fanno interagire la luce. Diversi modelli di fori cambiano il modo in cui la luce si piega e rimbalza attraverso il cristallo e qui sono stati realizzati migliaia di fori triangolari. Un tale uso di singoli fotoni è importante per il processo di creazione di computer quantistici perché i computer avranno quindi la capacità di calcolare grandi numeri e reazioni chimiche che i computer attuali non sono in grado di fare. Il design del chip consente il trasferimento di fotoni tra computer quantistici senza perdite. Questa perdita è stata anche vista come una grande sfida per i computer quantistici e quindi questo chip si occupa del problema e consente un percorso efficiente di quantistico informazioni 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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{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}
Fonte (s)
1. Castelvecchi D. 2018. Il silicio guadagna terreno nella corsa all'informatica quantistica. Natura. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Un'interfaccia topologica di ottica quantistica. Scienza. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
