Da molto tempo gli scienziati sognano di sviluppare computer quantistici, macchine che si basano sulle arcane leggi della fisica per eseguire compiti ben oltre la capacità dei più potenti supercomputer di oggi. Queste macchine, in teoria, potrebbero creare modelli matematici troppo complessi per i computer standard, ampliando notevolmente la gamma e la precisione delle previsioni meteorologiche o le previsioni del mercato finanziario, tra le altre cose. Potrebbero simulare processi fisici, come la fotosintesi, aprendo nuove frontiere nel campo dell'energia pulita. Il calcolo quantistico potrebbe dare un impulso anche all'intelligenza artificiale, portandola a un livello di sofisticazione di gran lunga più elevato: se Watson dell'IBM può vincere a Jeopardy!, e fare alcune diagnosi mediche, immaginate che cosa potrebbe fare una versione enormemente più intelligente.
Ma per realizzare queste visioni, gli scienziati devono prima capire come costruire un computer quantistico in grado di eseguire qualcosa di più che le operazioni più semplici. Ora sono più vicini che mai a questo obiettivo: lo scorso maggio IBM ha presentato il più complesso sistema quantistico realizzato finora e Google dice di essere sulla buona strada per presentare entro quest'anno il cosiddetto processore "quantum supremacy", dotato di capacità che nessun computer tradizionale può avere.
I piccoli sistemi esistono, ma i prossimi passi nella corsa per renderli più grandi dovranno stabilire se i computer quantistici sono in grado di sfruttare il loro potenziale. Scienziati e operatori del settore sono concentrati in gran parte su due approcci tra loro alternativi. Il primo raffredda circuiti vicino -273,15° Celsius, lo zero assoluto, trasformandoli in superconduttori, in cui la corrente scorre praticamente senza resistenza. L'altra si basa su ioni intrappolati, atomi di itterbio carichi, elemento delle terre rare, tenuti in posizione in una camera a vuoto da raggi laser e manipolati da altri laser. Le cariche oscillanti (sia nei circuiti sia negli ioni intrappolati) funzionano come bit quantistici, o "qubit", che possono essere sfruttati per effettuare le operazioni del computer.
Salti quantistici
Il trucco in entrambi gli approcci è capire come passare dai sistemi già disponibili – contenenti solo pochi qubit – a quelli in grado di gestire le centinaia o migliaia di qubit richiesti per il tipo di progresso che questa tecnologia quantistica sembra promettere. L'anno scorso IBM, tramite il suo portale cloud, ha messo a disposizione di sviluppatori, ricercatori e programmatori un processore quantistico a cinque qubit per la sperimentazione. L'azienda ha fatto notevoli progressi da allora, rivelando a maggio di aver aggiornato il proprio computer quantistico basato su cloud ottenendo un processore a 16-qubit e di aver realizzato un processore a 17-qubit più strettamente ingegnerizzato che potrebbe essere la base per sistemi commerciali. Entrambi sono basati sui circuiti superconduttori, come nel caso del processore da 20-qubit di Google, che l'azienda ha annunciato in una conferenza a Monaco di Baviera, in Germania, il 22 giugno. Alan Ho, ingegnere del Quantum Artificial Intelligence Lab di Google, ha detto alla conferenza che la sua azienda prevede di raggiungere la supremazia quantistica con un chip a 49-qubit entro la fine di quest'anno.
Questi numeri possono non sembrare impressionanti. Ma un qubit è molto più potente rispetto al tipo di bit che rappresenta la più piccola unita di dati in un computer convenzionale. I bit sono basati su un flusso di corrente elettrica, e costituiscono il linguaggio digitale in cui tutte le funzioni di calcolo: "off" significa 0 e "on" significa 1, e questi due stati codificano tutte le operazioni del computer. I qubit, tuttavia, non si basano su interruttori elettrici "sì/no", ma piuttosto sulle proprietà quantistiche di una particella, come la direzione in cui punta lo spin di un elettrone. E nel mondo quantistico una particella può esistere contemporaneamente in una varietà di stati più complessa del semplice on/off, grazie a un fenomeno noto come sovrapposizione. "Puoi avere testa, puoi avere croce, ma anche una qualsiasi sovrapposizione pesata di questi due stati: per esempio, un 70 per cento testa e 30 per cento croce", dice Christopher Monroe, fisico dell'Università del Maryland a College Park, fondatore di IonQ, una start-up che lavora alla realizzazione di un computer quantistico con ioni intrappolati.
La capacità più che binaria di occupare stati multipli in una sola volta permette ai qubit di eseguire molti calcoli simultaneamente, aumentando enormemente la potenza di calcolo. Questa potenza cresce esponenzialmente con il numero di qubit. Così intorno a 49 o 50 qubit i computer quantistici raggiungono l'equivalente di circa 10 quadrilioni di bit e diventano capaci di calcoli impossibili per i computer classici, spiega John Preskill, fisico teorico del California Institute of Technology. "Ma se possano anche fare cose utili è una questione diversa", sottolinea.
Sia i circuiti superconduttori sia gli ioni intrappolati hanno buone probabilità di raggiungere questa soglia della cinquantina di qubit, dice Jerry Chow, direttore del J. Watson Research Center di Yorktown Heights, nello Stato di New York, divisione di computazione quantistica sperimentale dell'IBM. Normalmente si potrebbe pensare che più qubit significhino più potenza, ma Chow sottolinea "che non è esattamente così per il numero di qubit". È più concentrato sul numero e sulla qualità dei calcoli che la macchina può eseguire, una metrica che definisce "volume quantistico". Questo include ulteriori fattori, come per esempio la velocità con cui i qubit possono eseguire i calcoli e quanto bene evitano o correggono gli errori che possono verificarsi. Alcuni di questi fattori possono lavorare uno contro l'altro: aggiungere più qubit, per esempio, può aumentare il tasso di errore mentre l'informazione passa da un qubit all'altro. "Come comunità dovremmo tutti concentrarci, non importa se stiamo lavorando su qubit a superconduttori o a ioni intrappolati o a qualsiasi altra cosa, per spingere questo volume quantistico sempre più in là, in modo da poter realizzare processori sempre più potenti e fare cose che non avremmo mai pensato di fare", dice Chow.
Migliore, non più grande
Monroe recentemente ha confrontato il suo sistema a ione intrappolato da cinque qubit con un processore da cinque qubit dell'IBM eseguendo gli stessi semplici algoritmi su entrambi, e ha trovato prestazioni simili. La differenza più grande, dice, è che gli ioni intrappolati sono tutti collegati tra loro tramite forze elettromagnetiche: un'oscillazione di uno ione di una serie di 30, e ogni altro ione reagirebbe, rendendo più semplice e accurato il passaggio d'informazione tra di loro. Nel circuito superconduttore solo alcuni qubit sono connessi, il che rende il passaggio di informazioni un processo più lento che può introdurre errori.
Uno dei vantaggi dei circuiti superconduttori è che sono facili da costruire usando gli stessi processi con cui si fanno i chip per computer. Eseguono operazioni logiche di base di un computer – cioè aggiungere, sottrarre o manipolare i bit in altro modo – in miliardesimi di secondo. D'altra parte, in questo tipo di sistema quantistico i qubit conservano il loro stato quantistico solo per millisecondi (millesimi di secondo): perciò qualsiasi operazione dev'essere completata in quel lasso di tempo.
Gli ioni intrappolati, al contrario, mantengono i loro stati quantistici per molti secondi, a volte anche per minuti od ore. Ma le porte logiche in questo sistema funzionano a un ritmo circa 1000 volte più lento rispetto al calcolo quantistico basato su superconduttori. Tale riduzione di velocità probabilmente non influisce su singole operazioni con pochi qubit, dice Monroe. Ma potrebbe diventare un problema se si volesse ottenere una risposta in un ragionevole lasso di tempo quando il numero di qubit aumenta. Per i qubit a superconduttore, l'aumento di numero può significare un problema di collegamento.
L'incremento del numero di qubit, qualunque tecnologia si stia usando, rende più difficile il loro collegamento e la loro manipolazione, perché ciò dev'essere fatto mentre sono mantenuti isolati dal resto del mondo, in modo che conservino i loro stati quantistici. Quanti più atomi o elettroni sono raggruppati in gran numero, tanto più le regole della fisica classica prendono il sopravvento e tanto meno significative diventano le proprietà quantistiche degli atomi individuali per come l'intero sistema si comporta. "Quando un sistema quantistico viene espanso, diventa meno quantistico", dice Monroe.
Chow pensa che i computer quantistici diventeranno abbastanza potenti da farà qualcosa di più rispetto ai computer classici – forse una simulazione di chimica quantistica – entro cinque anni. Monroe dice che è ragionevole aspettarsi sistemi contenenti alcune migliaia di qubit entro un decennio o giù di lì. In una certa misura, dice Monroe, i ricercatori non sapranno che cosa saranno in grado di fare con questi sistemi fino a quando non capiranno come costruirli.
Preskill, che ha 64 anni, dice di pensare di vivere abbastanza a lungo per vedere i computer quantistici produrre un impatto sulla società simile a quello che hanno avuto Internet e lo smartphone, anche se non può prevedere esattamente quale sarà tale impatto. "Questi sistemi quantistici parlano una lingua che i sistemi digitali non conoscono", dice. "Sappiamo dalla storia che non abbiamo la fantasia sufficiente per prevedere dove ci possano portare le nuove tecnologie dell'informazione".
-------------------------
L'originale di questo articolo è stato pubblicato su Le Scienze.
Programmatore informatico italiano, mi occupo di sviluppo sia Front-end che Back-end presso una grande azienda. La programmazione è stata la mia passione, insieme allo sport e al teatro che pratico tutt'ora. Ho deciso di aprire questo blog per dare consigli e condividerli con chi, come me, porta con sé questa passione. [..]
