Come funziona il calcolo quantistico e perché è importante

I computer hanno cambiato radicalmente la società. Poco dopo la fine della seconda guerra mondiale, gli scienziati stavano usando i computer per risolvere tutti i tipi di problemi. I progressi sono stati incredibilmente rapidi. Negli anni '70 nacque il computer di casa.

Tuttavia, nonostante tutti questi progressi, alcuni problemi sono ancora molto difficili. Non importa quanto siano bravi i computer, sfide come il factoring di grandi numeri o l'ottimizzazione dei percorsi dei corrieri rimangono difficili.

Ma i bit non sono l'unico modo per calcolare. La meccanica quantistica - le regole che governano il mondo di atomi e molecole - può anche essere usata per calcolare. E quei calcoli vengono eseguiti in modo notevolmente diverso.

La speranza è che un giorno questi "computer quantistici" saranno in grado di risolvere problemi difficili. Ma cosa sono in realtà i computer quantistici e come funzionano?

Computer quantistico a 16 qubit da IBM (esperienza quantistica IBM)

Uno sguardo dettagliato sotto il cofano di un computer quantistico rivela perché i ricercatori sperano così tanto che questi computer saranno così potenti e non potenti come una nuova generazione di processori Intel. No, un pratico computer quantistico ha il potenziale per cambiare il mondo. Aziende come D-Wave, IBM e Google, insieme a laboratori di ricerca in tutto il mondo, stanno tutti correndo per produrre i primi pratici computer quantistici.

Cosa rende diverso un computer quantistico?

Per illustrare la differenza tra informatica quantistica e informatica tradizionale, Daniel Lidar, professore di chimica teorica fisica all'Università della California del Sud, utilizza la seguente analogia (che ho modificato).

Immagina di cercare una palla nera in una scatola piena di palle bianche e non puoi vedere dentro la scatola. Per trovare la palla nera, afferrare ciecamente una palla, esaminare il colore e gettarlo via se non è nero. Potresti afferrare la palla nera al primo tentativo, oppure potresti sceglierla per ultima.

Il risultato più probabile: distruggi la scatola per la frustrazione.

Passiamo ora a un algoritmo quantistico. Le tue mani quantistiche raggiungono la scatola, ma non afferrano una palla. Invece, queste mani hanno la probabilità di aver scelto ogni palla, inclusa la palla nera. Se la scatola ha 10 palline, le tue mani quantistiche contengono 10 probabilità uguali.

Successivamente, esegui un algoritmo quantistico che aumenta la probabilità che la palla sia nera. Successivamente, controlli la tua mano: deludente, la palla è bianca. Torni nella scatola. Ma questa volta le probabilità non sono uguali: la probabilità che tu trovi la palla nera ora è più alta che per le altre palle.

È come se il tentativo precedente avesse gettato via una palla bianca in più insieme a quella che hai trovato. Ciò si verifica per ogni tentativo, quindi aumenta rapidamente la possibilità di trovare la palla nera. La chiave del modo in cui cambiano queste probabilità sta nel modo in cui vengono manipolati gli stati quantistici - o "qubit", nel caso dell'informatica.

Stati di sovrapposizione quantistica

Analizziamo la storia della scatola delle palle per vedere come funziona.

La mano quantistica raggiunge nel riquadro e afferra le probabilità. Nel calcolo tradizionale, le informazioni sono memorizzate come bit con valori definiti. Un bit è uno o uno zero. Controllare il valore di un bit non lo modifica in alcun modo.

Ma un qubit non rappresenta direttamente il valore del bit; contiene la probabilità che il qubit sia uno o uno zero. Questo è chiamato "stato di sovrapposizione quantistica".

Quando controlliamo il valore del qubit, tuttavia, non otteniamo la probabilità. La misurazione rivela uno o uno zero: la scelta determinata casualmente dalle probabilità della sovrapposizione. La misurazione imposta il valore del qubit. Se misuriamo il qubit e ne otteniamo uno, il controllo di nuovo comporterà anche uno.

Quando entriamo nella scatola, stiamo effettivamente prendendo una serie di qubit - abbastanza per rappresentare tutte le palle. I qubit sono messi in uno stato di sovrapposizione che contiene le probabilità di trovare ogni palla. Poiché la ricerca è completamente casuale, ogni palla è rappresentata con uguale probabilità.

Ora eseguiamo un algoritmo che aumenta la probabilità di trovare la palla nera.

Potresti chiedere: come puoi aumentare una probabilità senza raggiungere un picco? La risposta sta nel modo in cui un qubit ha probabilità. Una probabilità è rappresentata da un numero compreso tra zero e uno. Ma i qubit possiedono ampiezze di probabilità, che possono essere positive o negative.

Come dice Lidar: “[T] è dove c'è una vera differenza. Non esiste una nozione di probabilità negativa [nella fisica classica], non ha senso ... Ma nel caso quantico, possiamo avere un'ampiezza [a] [probabilità] negativa che annulla le ampiezze [probabilità] positive. È attraverso la manipolazione di queste interferenze che possiamo iniziare a capire come il calcolo quantistico può ottenere un vantaggio. ”

Due punti chiave sono nascosti in quella citazione. Quando un'ampiezza negativa incontra un'ampiezza positiva, il risultato netto è qualcosa di più vicino allo zero, quindi la probabilità di quel particolare risultato diminuisce; se si incontrano due ampiezze positive, aumenta la possibilità di tale risultato. Cioè, possiamo manipolare la probabilità di un determinato risultato senza misurare il qubit. (Ricorda, fare una misurazione distruggerà lo stato di sovrapposizione.)

Ancora più importante, i qubit possono essere fatti per fare questo da soli. Quando parliamo di un'ampiezza positiva che incontra un'ampiezza negativa, queste ampiezze possono provenire dallo stesso qubit. E se ciò non fa piegare e scricchiolare un po 'la tua mente, niente lo farà.

Di conseguenza, un computer quantistico può ridurre rapidamente la probabilità di ottenere una risposta errata e aumentare le probabilità di ottenere la risposta corretta. Questo è esattamente il tipo di trucco che un computer quantistico usa per aumentare la probabilità di trovare la palla giusta.

Un processo soggetto a errori

Per eseguire un calcolo, lo stato di sovrapposizione di molti qubit viene modificato. Ma tra modifiche deliberate, l'ambiente cambia anche lo stato di sovrapposizione. Questo rumore è nemico del calcolo quantistico, distruggendo gli stati di sovrapposizione quasi il più velocemente possibile.

Il risultato è che i qubit sono inaffidabili e soggetti a errori. E quegli errori devono essere scoperti e corretti.

Questo non è banale. Come dice Lidar: “[W] avremo bisogno di usare un alto grado di ridondanza per garantire che il calcolo quantistico possa essere eseguito correttamente. Allora, che cos'è questo sovraccarico dovuto alla codifica? Bene, potrebbe essere abbastanza grave, potrebbe essere per fattori di 1.000 o 1.000.000 ".

In altre parole, ogni bit di informazione è codificato in un piccolo esercito di qubit invece che in un singolo qubit.

Come costruire un computer quantistico

Esistono diversi approcci di base per la costruzione di un computer quantistico. L'approccio più comune è molto simile a come costruiamo i computer ora, chiamato modello circuitale dell'informatica quantistica.

Ogni programma è suddiviso in una serie di operazioni logiche specifiche, la maggior parte delle quali modifica le ampiezze di probabilità di un qubit, a seconda delle ampiezze di probabilità di un secondo qubit. Un computer quantistico basato su circuito rileva una serie iniziale di qubit ed esegue sequenzialmente ciascuna operazione nel programma. Dopo aver eseguito il programma, gli stati qubit vengono letti per ottenere una risposta.

IBM costruisce computer quantistici di questo tipo e puoi persino giocarci. Ma non è affatto certo che IBM o qualsiasi altro modello di circuito diventeranno standard. Ridimensionare il numero di qubit e la durata fino a una dimensione utile non è un compito facile.

Anche altre società, come D-Wave e Google, stanno interessando. Ma il loro approccio è abbastanza diverso da quello di IBM e della maggior parte dei laboratori di ricerca. L'approccio più comune alla costruzione di un computer quantistico è quello di rimanere vicini alle idee dei normali computer: porte logiche che eseguono operazioni sequenziali. Ma è anche possibile creare computer che funzionano senza operazioni logiche dirette.

Ottimizzatore quantico di D-Wave (D-Wave Inc.)

La differenza tra i due approcci è piuttosto profonda. In un computer che utilizza la logica sequenziale, il layout fisico del computer è ragionevolmente semplice, ma la sequenza di operazioni (o programma) può diventare lunga e complicata. Abbandonando la logica sequenziale, il programma diventa molto semplice - in effetti, non c'è quasi nessuna programmazione - ma il layout fisico diventa molto impegnativo, perché ogni qubit deve essere collegato a tutti gli altri qubit.

La startup canadese D-Wave offre da qualche tempo una forma limitata di calcolo quantistico, ma al momento i suoi processori sono troppo piccoli per affrontare problemi pratici. Il layout del processore D-Wave non collega tra loro tutti i qubit. Di conseguenza, può essere utilizzato solo per risolvere alcuni tipi di problemi, ma non altri.

A complicare le cose, dalle prestazioni del computer non è possibile sapere che si tratta di un computer quantistico. Potrebbe invece essere un computer tradizionale molto efficiente. Google e Lidar (che non lavora per Google) stanno usando un approccio simile a quello di D-Wave; tuttavia, la differenza è che stanno mirando a controllare in che modo i qubit si influenzano a vicenda. Da ciò, sperano di dimostrare che questo approccio porta a un computer quantistico.

Un problema alla ricerca di una soluzione quantistica

Molte persone, se sono a conoscenza di computer quantistici, le associano alla violazione della crittografia. La crittografia moderna si basa sul fatto che è molto difficile trovare fattori primi di numeri molto grandi.

Molto probabilmente un computer quantistico pratico metterà fine a questo. Ma ci sono applicazioni meno sinistre.

Il più interessante in fase di sviluppo sta usando i computer quantistici per risolvere i problemi della meccanica quantistica. Questa è l'applicazione che probabilmente cambierà il mondo.

La meccanica quantistica descrive le proprietà dei materiali, dal cotone nei vestiti alla fotosintesi nelle piante. Anche con i computer tradizionali più potenti, è praticamente impossibile calcolare le proprietà di qualsiasi molecola contenente più di circa 30 atomi. Invece, prendiamo le scorciatoie, che non sempre funzionano molto bene.

Un computer quantistico può essere molto più esatto, quindi possiamo avere molta più fiducia in quel calcolo. Gli scienziati possono immaginare proprietà molto più stravaganti, come i materiali che si raffreddano quando esposti alla luce solare, e quindi utilizzano un computer quantistico per determinare la struttura richiesta. E le proprietà stravaganti che sono veramente impossibili possono essere eliminate più rapidamente.

Quanto siamo vicini?

I computer quantistici arrivarono in teoria con le prime dimostrazioni negli anni '90. Tuttavia, i tuoi segreti sono al sicuro e non troverai un computer quantistico che fa cose nefaste sul tuo conto bancario. Ricercatori come Lidar non si aspettano da tempo un computer quantistico pratico.

Lidar afferma che con 100 qubit in un mondo in cui non è necessario correggere errori quantistici, "Saremmo in grado di iniziare a simulare sistemi quantistici utilizzando computer quantistici su una scala che supera ciò che è possibile con i più potenti computer classici".

Ma i ricercatori hanno un obiettivo chiamato, allarmante, supremazia quantistica. Nonostante il suo nome grandioso, la supremazia quantistica sta solo dimostrando che qualsiasi problema al di là delle capacità di un computer tradizionale, anche uno senza valore pratico, può essere risolto su un computer quantistico.

Dimostrare che i computer quantistici possono funzionare come previsto è un passo importante e nessuno di cui nessuno è assolutamente sicuro accadrà. Ma solo allora possiamo davvero fidarci che i futuri computer quantistici possano mantenere le loro promesse.

Lidar prevede di vedere un computer che dovrebbe essere in grado di raggiungere la supremazia quantistica nei prossimi 12 mesi. Google, in particolare, sembra mirare a raggiungere la supremazia quantistica il più rapidamente possibile, mentre IBM sta adottando un approccio più cauto.

Successivamente, ci aspetta un futuro oscuro ma eccitante.