Quando i computer quantistici supereranno i normali computer?

Da un giorno all'altro, i computer quantistici risolveranno un problema troppo difficile da affrontare per un computer classico. O almeno, è quello che speravamo . Scienziati e aziende stanno correndo verso questa pietra miliare dell'informatica, soprannominata supremazia quantistica e apparentemente appena oltre la nostra portata, e se hai seguito la storia dell'informatica quantistica, potresti chiederti perché non siamo ancora arrivati, dato tutto il clamore.

La risposta breve è che controllare le proprietà quantistiche delle particelle è difficile. E anche se potessimo usarli per calcolare, "supremazia quantistica" è un termine fuorviante. La prima dimostrazione di supremazia quantistica sarà quasi certamente un problema artificioso che non avrà un uso pratico o di consumo. Tuttavia, è una pietra miliare cruciale quando si tratta di confrontare questi dispositivi e stabilire cosa possono effettivamente fare. Allora cosa ci trattiene dal futuro?

"Stiamo per entrare in un mondo in cui stiamo facendo qualcosa con dispositivi quantistici che non potremmo fare in modo classico", John Preskill, professore di fisica teorica presso il California Institute of Technology che ha ideato il termine "supremazia quantistica, "Ha detto Gizmodo. "Siamo in una fase cruciale."

Potresti prima chiederti che cos'è un computer quantistico o, fondamentalmente, che cos'è un computer. I computer sono dispositivi che astraggono i dati e li memorizzano come  input, che manipolano tramite un sistema di istruzioni e algoritmi matematici. Tipicamente, i dati vengono memorizzati come bit manipolabili, dispositivi fisici a due scelte, consentendo ai sistemi di questi bit di produrre l'output desiderato. Sui computer quantistici, gli algoritmi sono mappati su un diverso tipo di architettura; invece di bit, ci sono dispositivi a due scelte chiamati qubit che obbediscono alle strane regole della meccanica quantistica.

Ogni qubit è una sorta di dado a due facce che puoi caricare con un pezzo di ferro per regolare la probabilità che tirerai su entrambi i lati. Eseguire un calcolo quantistico è come tirare i dadi. Ma puoi intrappolare i qubit, che è come magnetizzare i pezzi di ferro in modo che i dadi debbano essere trattati come un singolo dado a più facce con un proprio insieme di probabilità. Ciò potrebbe portare a interferenze, rendendo più probabile che alcuni lati del dado rotolino e altri meno probabili. I calcoli quantistici applicano le porte a questi dadi: impulsi di energia che influenzano ulteriormente la posizione del peso all'interno dei dadi e cambiano ciò che tirerai. Le applicazioni implicano la mappatura di alcune informazioni su ciascun lato e spesso richiedono molti lanci di dadi per ottenere risultati interessanti.

Scienziati e aziende tecnologiche stanno perseguendo i computer quantistici sia per il loro innato interesse scientifico come esperimenti che spingono l'involucro e per il modo in cui potrebbero avere un impatto sull'intelligenza artificiale, la sicurezza informatica e l'assistenza sanitaria. Presumibilmente, ci sono alcuni algoritmi che funzionerebbero più velocemente su questa architettura quantistica di quanto farebbero su un computer classico, in particolare l'algoritmo di Shor, che potrebbe fattorizzare numeri estremamente grandi più velocemente di quanto possano fare i computer classici. Un algoritmo che possa rapidamente fattorizzare i numeri è importante perché la maggior parte della nostra crittografia moderna si basa sulla premessa che i computer classici possono facilmente moltiplicare due numeri insieme ma impiegare un tempo irragionevolmente lungo per scomporli. Un computer in grado di eseguire l'algoritmo di Shor renderebbe non sicura questa strategia di crittografia. Altri sperano che i computer quantistici troveranno applicazioni nell'intelligenza artificiale, come nelle reti neurali quantistiche , o aiuteranno a risolvere problemi di chimica, come trovare nuovi farmaci per curare le malattie, in modo molto più efficiente rispetto ai computer classici.

Ma un computer quantistico di cui valga la pena essere entusiasta, o di cui preoccuparsi, dovrebbe essere migliore dei normali computer che svolgono lo stesso compito. Ecco perché scienziati e aziende, in particolare Google, elencano la supremazia quantistica come una pietra miliare chiave per i loro dispositivi.

Le proposte per la supremazia quantistica seguono generalmente la stessa premessa. Imposta circuiti quantistici complicati e casuali e misura i valori. Ottieni molte risposte. Ora, usa un test statistico per assicurarti che l'esperimento sia stato fatto correttamente usando queste risposte emesse. I fisici teorici pensano che un computer quantistico dimostrerebbe la supremazia su un tale compito: in pratica, con l'aumentare della complessità del problema, la quantità di tempo necessaria per calcolare il problema aumenterebbe a una velocità maggiore per un computer classico rispetto a un computer quantistico.

Da un punto di vista aziendale, il compito sembra artificioso. La supremazia quantistica dimostra che un computer quantistico è più bravo a essere un computer quantistico rispetto a un computer classico. Non è qualcosa con cui puoi curare le malattie.

Ma da un punto di vista teorico, è profondo, ha  detto a Gizmodo Bill Fefferman, assistente professore di ricerca presso l'Università del Maryland e ricercatore presso il National Institute of Standards and Technology . C'è un'ipotesi chiamata tesi di Church-Turing che afferma che qualsiasi problema informatico può essere risolto con un tipo astratto di computer ideato dal matematico Alan Turing nel 1936. Questo computer teorico semplifica tutti i problemi di calcolo in simboli su nastro. Poi, c'è la tesi estesa di Church-Turing: nessun modello pratico di elaborazione potrebbe risolvere compiti molto più velocemente di una di queste macchine di Turing. Gli informatici teorici hanno fornito una forte evidenza che la tesi estesa di Church-Turing era sbagliata all'inizio degli anni '90. E una macchina che raggiunga la supremazia quantistica fornirebbe prove sperimentali  contro la tesi.  Dimostrerebbe che ci sono davvero problemi informatici per i quali un supercomputer non sarebbe il modo più efficiente per calcolarli e per i quali lo sarebbe un computer basato su un'architettura diversa, un computer quantistico.

La supremazia quantistica, da una prospettiva scientifica, ha lo scopo di fornire agli scienziati un modo concreto per determinare a cosa serviranno e non saranno utili i computer quantistici e per confrontarli con i computer classici. Fino all'inizio degli anni '90, gli informatici teorici hanno escogitato problemi artificiosi per i computer quantistici e compiti utili, come l'algoritmo di Shor, sono arrivati ​​più tardi. "Invece di dire 'voi ragazzi state spendendo miliardi di dollari per implementare questo problema artificioso', la risposta è che dobbiamo prima costruire le fondamenta", ha detto Fefferman.

Inoltre, non è intrinsecamente inutile, poiché l'esperimento potrebbe rendere i computer quantistici utili generatori di numeri casuali , che trovano applicazioni in crittografia, gioco d'azzardo, simulazioni e altrove.

Ma come hai effettivamente raggiunto quel traguardo? Google ha arruolato l'aiuto della NASA nella sua ricerca di essere il primo, ha riferito il MIT Technology Review lo scorso anno. Il team sta costruendo e testando un chip con quelli che sperano siano abbastanza buoni qubit per dimostrare la supremazia quantistica. Ci sono ricercatori che studiano questi stessi problemi di supremazia quantistica su computer classici per confrontarli, oltre a lavorare sulla teoria computazionale per garantire una prova rigorosa che la supremazia è stata raggiunta.

Con le considerevoli risorse e le menti di NASA, Google, IBM e altre organizzazioni sul caso, potresti chiederti perché ci vuole così tanto tempo. Per ora, i più grandi dispositivi quantistici commerciali hanno circa 20 qubit, sebbene IBM, Google e IonQ stiano testando rispettivamente 50 , 72 e persino dispositivi da 160 qubit. Ma ogni fase della costruzione e del funzionamento di un computer quantistico è difficile. Invece di transistor di silicio su microchip, gli scienziati devono creare i loro dispositivi utilizzando laser che intrappolano singoli atomi, materiale superconduttore che conduce corrente senza resistenza che dimostri proprietà quantistiche manipolabili o altre potenziali architetture. Ciò spesso richiede di mantenere il processore quasi a zero assoluto, la temperatura alla quale le particelle hanno il minimo calore possibile. Il controllo di questo sistema si rivela incredibilmente difficile, poiché un minimo di energia dall'ambiente esterno potrebbe far collassare i qubit in bit molto costosi e molto regolari.

Su questi sistemi limitati, i ricercatori possono eseguire solo una manciata di operazioni quantistiche, o "porte", prima che lo stato quantistico crolli. Intrecciare troppi qubit farà collassare il sistema. Ogni qubit aggiuntivo rende la macchina due volte più complessa . Gli impulsi elettromagnetici che controllano il sistema devono essere perfettamente progettati.

Allo stesso tempo, gli informatici quantistici non stanno solo cercando di battere i computer classici che simulano i computer quantistici. Stanno cercando di battere ogni possibile soluzione alternativa che qualcuno che programma un computer classico possa trovare, il che è più difficile da dimostrare. E i ricercatori dovranno in qualche modo verificare il risultato calcolato dal computer quantistico, anche se avrebbero semplicemente eseguito un calcolo che un computer non quantistico non può fare.

"Scommetto che qualcuno dichiarerà presto [la supremazia quantistica]", ha detto a Gizmodo Graeme Smith, assistente professore presso l'Università del Colorado, Boulder, "Ma ci saranno domande sul fatto che l'hanno raggiunta a causa del fatto che è difficile verificare."

Forse stai notando uno schema qui. Nessuno ha ancora raggiunto la supremazia quantistica perché è difficile.

Gli scienziati di IBM stanno lavorando a un compito forse più facile da realizzare. Stanno cercando di dimostrare un "vantaggio quantistico". La differenza è sottile. Supremazia quantistica significa che un computer quantistico può eseguire calcoli che un computer classico non può fare in un ragionevole lasso di tempo. Il vantaggio quantistico significa semplicemente che il computer quantistico può battere il computer classico in alcuni calcoli, anche se è solo un po 'meglio. Alcuni ricercatori hanno escogitato prove matematiche di casi in cui i computer quantistici sono sempre migliori dei computer classici che eseguono lo stesso algoritmo. Ma in questo caso, al computer classico è stata data una limitazione simile a uno dei principali limiti dei computer quantistici odierni: poteva eseguire solo poche operazioni alla volta, come un qubit, che può eseguire solo poche operazioni fino a quando non collassa .

Il vantaggio quantistico ha una gamba sulla supremazia quantistica, però. La supremazia quantistica è un obiettivo elevato da raggiungere, ma se l'industria è alla ricerca di un algoritmo più veloce, questi vantaggi quantistici potrebbero trovare prima i computer quantistici un uso più generale nell'industria.

Per aziende come Google e IBM, questi termini sono usati con una forte dose di PR. "Stanno entrambi cercando di costruire computer quantistici programmabili", ha detto a Gizmodo Aram Harrow, professore associato di fisica al MIT. "Google dirà che l'obiettivo è la supremazia, IBM dirà che l'obiettivo è il vantaggio. Questo non porterà a una grande differenza nell'hardware che viene costruito ".

In definitiva, quando un'azienda che costruisce un computer quantistico annuncia inevitabilmente di aver raggiunto la "supremazia quantistica" o il "vantaggio quantistico", non sarà un cambiamento epocale per l'industria. Si riferiranno ancora a dispositivi relativamente piccoli e soggetti a errori, ciò che i ricercatori chiamano NISQ, o  macchine "quantistiche rumorose su scala intermedia" . Queste macchine dovranno ancora affrontare le stesse limitazioni che avevano prima che esistesse un dispositivo di supremazia o vantaggio, come il breve lasso di tempo in cui i qubit possono rimanere quantici  o un numero inferiore di calcoli che un qubit può fare prima di perdere la sua natura quantistica.

"La supremazia quantistica è per noi un trampolino di lancio per andare avanti al fine di risolvere problemi più interessanti" , ha detto a Gizmodo Mekena Metcalf , ricercatrice post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Ma affinché i computer quantistici diventino i dispositivi di cracking del codice e di simulazione molecolare del futuro, ci sono obiettivi specifici all'orizzonte. "Richiede ordini di grandezza in più qubit e una profondità di gate lunga", ha spiegato, qubit che possono eseguire più calcoli prima di perdere il loro comportamento quantistico.

Raggiungere quello stato richiederà un hardware migliore, inclusa un'ottica più precisa per computer quantistici basati su atomi intrappolati al laser, ha detto a Gizmodo Sara Mouradian, ricercatrice post-dottorato presso l'Università di Berkeley. Coloro che lavorano su computer quantistici superconduttori sperano di vedere miglioramenti ai cavi del sistema e un migliore controllo in generale. Entrambi i sistemi dovranno trovare modi per aumentare notevolmente in scala e dimensioni, il che non è così facile come aggiungere più mattoni a una torre Lego. I computer quantistici richiederanno anche la correzione degli errori o la memorizzazione delle informazioni da un singolo qubit su più qubit fisici entangled per correggere eventuali errori.

I dispositivi dell'era NISQ sono ancora strumenti all'avanguardia per lo studio della fisica quantistica e forse troveranno applicazioni utili a breve termine, sia che dimostrino "supremazia quantistica", "vantaggio quantistico" o anche solo "utilità quantistica". Ci sono anche molti altri dispositivi quantistici in lavorazione, come sensori e strumenti crittografici, che potrebbero trovare applicazioni prima.

Ma, per il bene del finanziamento di una startup, si spera che scienziati e tecnologi dimostrino la supremazia quantistica (o il vantaggio) e trovino presto utili applicazioni per computer quantistici.

"Ciò che incombe sul campo, in particolare sul lato commerciale, sono tutte queste aziende che investono e costruiscono sistemi, ma se non riescono a trovare un'applicazione utile in 10 anni, cosa succede dopo?" Preskill ha detto. "Ci sarà un incidente quantistico perché le persone sentivano che il potenziale non era stato realizzato?" Almeno per ora, il governo degli Stati Uniti ha approvato un disegno di legge che inietta denaro in questo settore per formare più scienziati e trasferire conoscenze all'industria.

La supremazia quantistica è all'orizzonte e il perseguimento di essa continua a spingere il progresso scientifico in modi fondamentali e profondi. Ma dimostrare la supremazia quantistica per un problema non porterà i computer quantistici molto più vicini alla tua scrivania. È fondamentale che continuiamo a sottolineare le incertezze sul campo, soprattutto quando si tratta di potenziale a breve termine.

I computer quantistici evidenziano che la scienza e la tecnologia hanno obiettivi diversi e forniscono due obiettivi molto diversi attraverso i quali comprendere la supremazia quantistica. La tecnologia può sembrare una marcia senza fine verso un prodotto migliore. Ma la scienza è più lenta, imprevedibile e spesso più rigorosa: richiede che le persone coprano tutte le basi per capire come funzionano effettivamente questi nuovi dispositivi rivoluzionari prima di poter affermare che i computer quantistici sono effettivamente superiori.

Questa storia è stata aggiornata per chiarire la relazione tra la supremazia quantistica e la tesi di Church-Turing estesa.

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