La sfida del calcolo quantistico

Contenuto

• Realtà Quantistica
• La creazione di un bit quantico
• Nessun bug, nessuno stress: la tua guida passo passo alla creazione di software che ti cambia la vita senza distruggere la tua vita
• Quanto siamo vicini?
• Conclusione

Fonte: Rcmathiraj / Dreamstime.com

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Dai un'occhiata più da vicino al calcolo quantistico, a come funziona e al suo potenziale futuro.

"Se pensi di comprendere la fisica quantistica, non capisci la fisica quantistica." Quella citazione è attribuita al fisico Richard Feynman, ma non è chiaro se lo abbia effettivamente detto. Ecco una citazione più affidabile di Feynman da una pubblicazione del MIT del 1995: "Penso di poter tranquillamente dire che nessuno capisce la meccanica quantistica".

Realtà Quantistica

Ora che ce l'abbiamo fatta, vediamo se c'è qualcosa che sappiamo. La meccanica quantistica è strana. Quelle minuscole particelle a livello quantico non si comportano come previsto. Le cose sono diverse lì.

Cose folli stanno accadendo nell'universo quantico. C'è la casualità intrinseca, l'incertezza, l'entanglement. Sembra tutto un po 'troppo.

Ora sappiamo che gli atomi e le particelle subatomiche agiscono come se fossero collegati. Einstein ha definito l'entanglement quantico “azione spettrale a distanza”. Immagina due oggetti che sono fisicamente separati ma si comportano allo stesso modo, hanno le stesse proprietà e agiscono come una sola. Ora immagina che quei due oggetti siano distanti 100.000 anni luce. Strano davvero.

C'è più. Il principio di incertezza nella meccanica quantistica afferma che alcune proprietà delle particelle non possono essere conosciute. Aggiungete a ciò il problema della decoerenza, che ha qualcosa a che fare con il collasso della funzione d'onda. E le versioni dell'esperimento a doppia fenditura sembrano suggerire che un oggetto quantico può trovarsi in due posti contemporaneamente, che l'osservazione cambia la natura delle particelle subatomiche o che gli elettroni sembrano aver viaggiato indietro nel tempo.

Ora capisci perché costruire un computer quantistico può essere una tale sfida. Ma questo non impedisce alle persone di provare. (Per ulteriori informazioni sul calcolo quantistico, vedi Perché il calcolo quantistico potrebbe essere la svolta successiva sulla Big Data Highway.)

La creazione di un bit quantico

Il problema con l'incertezza è che rende difficile il calcolo. Il bersaglio è sempre in movimento. E anche se sviluppi un sistema matematico, come correggi gli errori? E pensavi che il binario fosse difficile.

"Un qubit è un sistema meccanico quantistico che, in alcune circostanze adeguate, può essere trattato con solo due livelli quantici", afferma il professor Andrea Morello dell'Università del New South Wales in Australia. "E una volta che lo hai, puoi usarlo per codificare le informazioni quantistiche."

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Non puoi migliorare le tue capacità di programmazione quando a nessuno importa della qualità del software.

Più facile a dirsi che a farsi. I computer quantistici attuali non sono ancora molto potenti. Stanno ancora cercando di ottenere i mattoni giusti.

Un bit quantico, noto anche come qubit, ha un potenziale esponenzialmente maggiore rispetto al bit classico nell'informatica digitale binaria. Una particella elementare può trovarsi contemporaneamente in più stati, una qualità nota come sovrapposizione. Mentre un bit classico può trovarsi in uno dei due stati (uno o zero), un qubit può trovarsi contemporaneamente in entrambe le posizioni.

Pensa a una moneta. Ha due lati: testa o croce. Una moneta è binaria. Ma immagina di lanciare la moneta in aria e continua a lanciare indefinitamente. Mentre sta girando, è diretto o è croce? Cosa sarà se dovesse mai atterrare? Come si può quantificare la moneta lanciante? È un debole tentativo di illustrare la sovrapposizione.

Quindi, come si fa a fare un qubit? Bene, se i fisici quantistici non capiscono la meccanica quantistica, allora difficilmente potremmo gestire una spiegazione adeguata qui. Accontentiamoci di un elenco di tecnologie testate per creare qubit:

• Circuiti superconduttori
• Spin qubit
• Trappole ioniche
• Circuiti fotonici
• Trecce topologiche

I più popolari di questi sono i primi due. Gli altri sono soggetti di ricerca universitaria. Nella prima tecnica, i superconduttori sono super raffreddati per eliminare le interferenze elettromagnetiche. Ma i tempi di coerenza sono relativamente brevi e le cose si rompono. Il professor Morello sta lavorando alla tecnica di spin. Le particelle quantistiche hanno carica elettrica, proprio come i magneti. Inserendo impulsi a microonde, è in grado di far ruotare un elettrone piuttosto che verso il basso, creando così un transistor a singolo elettrone.

Quindi rimane la questione della tolleranza agli errori e della correzione degli errori. I ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara, sono riusciti a raggiungere il 99,4 per cento di fedeltà con i loro cancelli qubit. Hanno raggiunto il 99,9 per cento di fedeltà all'università di Oxford. Quindi ci siamo ancora?

Quanto siamo vicini?

Edwin Cartlidge pone questa domanda in un articolo di ottobre 2016 per Optics & Photonics News. Un avvertimento dell'ETSI nel 2015 secondo cui le organizzazioni dovrebbero passare alle tecniche di crittografia "quantum safe" dovrebbe dirti che qualcosa è all'orizzonte.

Google, Microsoft, Intel e IBM sono tutti in gioco. Una delle soglie che Google sta perseguendo è qualcosa che hanno definito "supremazia quantistica". Viene utilizzata per descrivere quel punto in cui un computer quantistico fa qualcosa che un computer classico non può fare.

IBM prevede di lanciare un computer quantistico "universale" nel 2017, secondo David Castelvecchi di Scientific American. Soprannominato "IBM Q", sarà un servizio basato su cloud disponibile su Internet a pagamento. Puoi avere un'idea di ciò su cui stanno lavorando provando la loro Quantum Experience, ora disponibile online. Ma Castelvecchi afferma che nessuno di questi sforzi è ancora più potente dei computer convenzionali. La supremazia del quanto non è stata ancora stabilita.

Come riportato da Techopedia nel 2013, Google ha molte applicazioni per un computer quantistico maturo, una volta sviluppato. Microsoft sta lavorando al calcolo quantistico topologico. Numerose startup si stanno espandendo e sul campo si sta facendo molto lavoro. Ma alcuni esperti avvertono che il piatto potrebbe non essere ancora completamente cotto. "Non sto facendo alcun comunicato stampa sul futuro", afferma Rainer Blatt all'Università di Innsbruck in Austria. E il fisico David Wineland afferma: "Sono ottimista a lungo termine, ma cosa significa" a lungo termine ", non lo so." (Vedi 5 cose interessanti che Google Quantum Computer potrebbe fare.)

Anche quando viene raggiunta la supremazia informatica quantistica, non cercare di sostituire il tuo laptop in qualsiasi momento presto. I computer quantistici, come le loro controparti binarie nei primi tempi, possono essere solo dispositivi specializzati dedicati a scopi specifici. Uno degli usi più comuni sarebbe quello di far simulare una meccanica quantistica da un computer quantistico. A parte le intense attività informatiche come le previsioni meteorologiche, l'utilizzo del calcolo quantistico può essere centralizzato e limitato al cloud. Certo, quello potrebbe essere il posto perfetto per questo.

Conclusione

Il professor Morello ha identificato chiaramente la sfida principale dell'informatica quantistica. Prima di poter iniziare a codificare le informazioni, devi essere in grado di stabilire due livelli quantici discreti con il qubit. Una volta raggiunto, il calcolo quantistico "ti dà accesso a uno spazio di calcolo esponenzialmente più ampio" rispetto a un computer classico. Un computer quantistico, ad esempio, con 300 qubit (N qubit = 2^N bit classici) sarebbe in grado di elaborare più bit di informazioni di quante siano le particelle nell'universo.

Sono molte cose. Ma arrivare da qui a lì richiederà un po 'di lavoro.