Che cos’è il calcolo quantistico? La prossima era dell’evoluzione computazionale, ha spiegato
Quando ti imbatti per la prima volta nel termine "computer quantistico", potresti passarlo come un concetto di fantascienza di vasta portata piuttosto che una notizia seria.
Ma con la frase che viene lanciata con frequenza crescente, è comprensibile chiedersi esattamente cosa siano i computer quantistici, e altrettanto comprensibile essere in perdita rispetto a dove immergersi. Ecco il riassunto su cosa sono i computer quantistici, perché c'è così tanto ronzio intorno a loro, e cosa potrebbero significare per te.
Che cos'è il calcolo quantistico e come funziona?
Tutto il calcolo si basa su bit, la più piccola unità di informazione codificata come uno stato "on" o uno stato "off", più comunemente indicato come 1 o 0, in un supporto fisico o in un altro.
Il più delle volte, un po 'assume la forma fisica di un segnale elettrico che attraversa i circuiti della scheda madre del computer. Mettendo insieme più bit, possiamo rappresentare cose più complesse e utili come testo, musica e altro.
Le due differenze chiave tra bit quantici e bit "classici" (dai computer che usiamo oggi) sono la forma fisica che assumono i bit e, di conseguenza, la natura dei dati codificati in essi. I bit elettrici di un computer classico possono esistere solo in uno stato alla volta, 1 o 0.
I bit quantistici (o "qubit") sono costituiti da particelle subatomiche , ovvero singoli fotoni o elettroni. Poiché queste particelle subatomiche si conformano più alle regole della meccanica quantistica che alla meccanica classica, esibiscono le bizzarre proprietà delle particelle quantistiche. La più saliente di queste proprietà per gli informatici è la sovrapposizione. Questa è l'idea che una particella possa esistere in più stati contemporaneamente, almeno fino a quando tale stato viene misurato e collassa in un singolo stato. Sfruttando questa proprietà di sovrapposizione, gli informatici possono fare in modo che i qubit codifichino contemporaneamente 1 e 0 .
L'altra stranezza meccanica quantistica che fa battere i computer quantistici è l'entanglement, un collegamento di due particelle quantistiche o, in questo caso, due qubit. Quando le due particelle sono intrappolate, il cambiamento nello stato di una particella altererà lo stato del suo partner in modo prevedibile, il che è utile quando arriva il momento di ottenere un computer quantistico per calcolare la risposta al problema che lo alimenta.
I qubit di un computer quantistico iniziano nel loro stato ibrido 1 e 0 quando il computer inizia inizialmente a sgretolare un problema. Quando viene trovata la soluzione, i qubit in sovrapposizione collassano con l'orientamento corretto di 1 e 0 stabili per restituire la soluzione.
Qual è il vantaggio dell'informatica quantistica?
A parte il fatto che sono molto al di là della portata di tutti, tranne i team di ricerca più d'élite (e probabilmente rimarranno così per un po '), la maggior parte di noi non ha molto uso per i computer quantistici. Non offrono alcun vantaggio reale rispetto ai computer classici per i tipi di attività che svolgiamo la maggior parte del tempo.
Tuttavia, anche i supercomputer classici più formidabili hanno difficoltà a risolvere alcuni problemi a causa della loro intrinseca complessità computazionale. Questo perché alcuni calcoli possono essere raggiunti solo con la forza bruta, indovinando fino a quando non si trova la risposta. Finiscono con così tante soluzioni possibili che ci vorrebbero migliaia di anni perché tutti i supercomputer del mondo combinati trovino quello giusto.
La proprietà di sovrapposizione mostrata dai qubit può consentire ai supercomputer di abbattere precipitosamente questo tempo di indovinare. I laboriosi calcoli di tentativi ed errori dell'informatica classica possono sempre fare solo un'ipotesi alla volta, mentre il doppio stato 1 e 0 dei qubit di un computer quantistico gli consente di fare più congetture contemporaneamente.
Quindi, che tipo di problemi richiedono tutto questo calcolo delle congetture che richiede tempo? Un esempio è la simulazione di strutture atomiche, specialmente quando interagiscono chimicamente con quelle di altri atomi. Con un computer quantistico che alimenta la modellazione atomica, i ricercatori nella scienza dei materiali potrebbero creare nuovi composti da utilizzare in ingegneria e produzione. I computer quantistici sono adatti per simulare sistemi altrettanto complessi come forze di mercato economiche, dinamiche astrofisiche o modelli di mutazione genetica negli organismi, solo per citarne alcuni.
Tra tutte queste applicazioni generalmente inoffensive di questa tecnologia emergente, tuttavia, ci sono anche alcuni usi dei computer quantistici che destano serie preoccupazioni. Di gran lunga il danno più frequentemente citato è il potenziale per i computer quantistici di violare alcuni dei più potenti algoritmi di crittografia attualmente in uso .
Nelle mani di un avversario aggressivo del governo straniero, i computer quantistici potrebbero compromettere un'ampia fascia di traffico Internet altrimenti sicuro, lasciando le comunicazioni sensibili sensibili alla sorveglianza diffusa. Attualmente si sta lavorando per maturare i codici di crittografia basati su calcoli che sono ancora difficili da eseguire anche per i computer quantistici, ma non sono tutti pronti per il prime-time o attualmente ampiamente adottati.
Il calcolo quantistico è persino possibile?
Poco più di un decennio fa, l'attuale fabbricazione di computer quantistici era appena nelle sue fasi iniziali. A partire dal 2010, però, è decollato lo sviluppo di prototipi di computer quantistici funzionanti. Diverse aziende hanno assemblato computer quantistici funzionanti fino a pochi anni fa, con IBM che ha permesso a ricercatori e hobbisti di eseguire i propri programmi su di esso tramite il cloud .
Nonostante i progressi fatti da aziende come IBM senza dubbio per costruire prototipi funzionanti, i computer quantistici sono ancora agli inizi. Attualmente, i computer quantistici che i team di ricerca hanno costruito finora richiedono un sacco di costi generali per l'esecuzione della correzione degli errori. Per ogni qubit che esegue effettivamente un calcolo, ce ne sono diverse dozzine il cui compito è compensare l'errore di una persona. L'aggregato di tutti questi qubit rende quello che viene chiamato un "qubit logico".
Per farla breve, l'industria e i titani accademici hanno fatto funzionare i computer quantistici, ma lo fanno in modo molto inefficiente.
Chi ha un computer quantistico?
La forte concorrenza tra ricercatori di computer quantistici sta ancora imperversando, sia tra grandi che piccoli giocatori. Tra coloro che hanno computer quantistici funzionanti ci sono le aziende tecnologiche tradizionalmente dominanti che ci si aspetterebbe: IBM, Intel, Microsoft e Google.
Per quanto sia impegnativa e costosa un'impresa come la creazione di un computer quantistico, ci sono un numero sorprendente di aziende più piccole e persino start-up che stanno affrontando la sfida.
Il D-Wave Systems relativamente snello ha spinto molti progressi nel campo e ha dimostrato che non era fuori discussione rispondendo al grande annuncio di Google con la notizia di un enorme accordo con i Los Alamos National Labs . Tuttavia, anche concorrenti più piccoli come Rigetti Computing sono in corsa per affermarsi come innovatori dell'informatica quantistica .
A seconda di chi chiedi, otterrai un diverso leader per il computer quantistico "più potente". Google ha sicuramente sollevato il caso di recente con il raggiungimento della supremazia quantistica , una metrica che Google stesso ha più o meno ideato. La supremazia quantistica è il punto in cui un computer quantistico è in grado di superare per la prima volta un computer classico in alcuni calcoli. Il prototipo Sycamore di Google dotato di 54 qubit è stato in grado di rompere quella barriera risolvendo un problema in poco meno di tre minuti e mezzo che impiegherebbe il supercomputer classico più potente a 10.000 anni a sfuggire.
Per non essere da meno, D-Wave si vanta che i dispositivi che presto fornirà a Los Alamos pesano a 5000 qubit ciascuno, anche se va notato che la qualità dei qubit di D-Wave è stata messa in discussione in precedenza . IBM non ha fatto lo stesso tipo di splash di Google e D-Wave negli ultimi due anni, ma non dovrebbero ancora essere contati, soprattutto considerando il loro track record di risultati lenti e costanti .
In parole povere, la corsa per il computer quantistico più potente del mondo è spalancata come non mai.
Il calcolo quantico sostituirà il calcolo tradizionale?
La risposta breve a questo è "non proprio", almeno per il futuro a breve termine. I computer quantistici richiedono un immenso volume di apparecchiature e ambienti finemente sintonizzati per funzionare. L'architettura principale richiede un raffreddamento a livelli puramente superiori allo zero assoluto, il che significa che non sono in alcun modo praticamente pratici per i consumatori ordinari.
Ma come ha dimostrato l'esplosione del cloud computing, non è necessario possedere un computer specializzato per sfruttare le sue capacità. Come accennato in precedenza, IBM offre già agli audaci tecnofili la possibilità di eseguire programmi su un piccolo sottoinsieme dei qubit del suo Q System One . Con il tempo, IBM e i suoi concorrenti probabilmente venderanno tempo di calcolo su computer quantistici più robusti per coloro che sono interessati ad applicarli a problemi altrimenti imperscrutabili.
Ma se non stai cercando i tipi di problemi eccezionalmente difficili che i computer quantistici mirano a risolvere, probabilmente non interagirai molto con loro. In effetti, i computer quantistici sono in alcuni casi peggiori per il tipo di attività che utilizziamo quotidianamente, puramente perché i computer quantistici sono così iper-specializzati. A meno che tu non sia un accademico che esegue il tipo di modellistica in cui prospera l'informatica quantistica, probabilmente non riuscirai mai a metterti le mani addosso e non ne avrai mai bisogno.
