I percorsi emergenti dell’informatica quantistica
Il mondo dell’informatica ha assistito a progressi sismici dall’invenzione del calcolatore elettronico negli anni ’60. Gli ultimi anni nell’elaborazione delle informazioni sono stati particolarmente trasformativi. Quelle che un tempo erano considerate fantasie di fantascienza ora sono realtà tecnologiche. L’elaborazione classica è diventata più esponenzialmente più veloce e più capace ei nostri dispositivi di abilitazione più piccoli e più adattabili.
Stiamo iniziando ad evolvere oltre il calcolo classico in una nuova era dei dati chiamata calcolo quantistico. Si prevede che il calcolo quantistico ci accelererà nel futuro influenzando il panorama dell’intelligenza artificiale e dell’analisi dei dati. La potenza e la velocità del calcolo quantistico ci aiuteranno a risolvere alcune delle sfide più grandi e complesse che dobbiamo affrontare come esseri umani.
La società di ricerca Gartner descrive succintamente il calcolo quantistico come: “[T] l’ uso di stati quantistici atomici per effettuare il calcolo. I dati vengono conservati in qubit (bit quantistici), che potrebbero contenere tutti gli stati possibili contemporaneamente. I dati contenuti in qubit sono influenzati dai dati contenuti in altri qubit, anche se separati fisicamente. Questo effetto è noto come entanglement. ” In una descrizione semplificata, i computer quantistici utilizzano bit o qubit quantistici invece di utilizzare i tradizionali bit binari di uno e zero per le comunicazioni digitali. Definizione di Quantum Computing – Gartner Information Technology Glossary
Una spiegazione più dettagliata degli elementi coinvolti nell’informatica quantistica è stata originariamente pubblicata nella rivista di ricerca annuale della Princeton University Discovery: Research at Princeton : Quantum computing apre nuovi regni di possibilità – Discovery: Research at Princeton
Qubit zoo: vocabolario e terminologia quantistica
Di seguito è riportata una breve introduzione ai concetti e ai termini dell’informatica quantistica.
Qubits non bit. I computer quantistici eseguono calcoli con bit quantistici, o qubit, piuttosto che con i bit digitali nei computer tradizionali. I Qubit consentono ai computer quantistici di considerare quantità di informazioni precedentemente inimmaginabili.
Sovrapposizione. Gli oggetti quantistici possono trovarsi in più di uno stato contemporaneamente, una situazione rappresentata dal gatto di Schrödinger, un felino immaginario che è contemporaneamente vivo e morto. Ad esempio, un qubit può rappresentare i valori 0 e 1 contemporaneamente, mentre i bit classici possono essere solo 0 o 1.
Entanglement. Quando i qubit sono intrecciati, formano una connessione tra loro che sopravvive indipendentemente dalla distanza tra loro. Una modifica a un qubit altererà il suo gemello impigliato, una scoperta che ha sconcertato persino Einstein, che ha definito l’entanglement “azione spettrale a distanza”.
Tipi di qubit. Al centro del computer quantistico c’è il qubit, un bit quantistico di informazione tipicamente costituito da una particella così piccola da esibire proprietà quantistiche piuttosto che obbedire alle leggi della fisica classica che governano la nostra vita quotidiana. Diversi tipi di qubit sono in fase di sviluppo:
Qubit o transmons superconduttori. Già in uso nei prototipi di computer realizzati da Google, IBM e altri, questi qubit sono realizzati con circuiti elettrici superconduttori.
Atomi intrappolati. Gli atomi intrappolati sul posto dai laser possono comportarsi come qubit. Gli ioni intrappolati (atomi carichi) possono anche agire come qubit.
Qubit di spin in silicio. Una tecnologia emergente prevede l’intrappolamento di elettroni in camere di silicio per manipolare una proprietà quantistica nota come spin.
Qubit topologici. Ancora all’inizio dello sviluppo, le quasi particelle chiamate fermioni di Majorana, che esistono in alcuni materiali, hanno il potenziale per essere utilizzate come qubit. Informatica quantistica: apertura di nuovi regni di possibilità (princeton.edu)
Anche con queste definizioni, concettualizzare la nozione di calcolo quantistico e di entanglement è un compito difficile in quanto comprende un mondo enigmatico di fisica subatomica. David Awschalom, scienziato senior presso Argonne e professore presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell’Università di Chicago, spiega che nel mondo quantistico la natura “si comporta in modo molto diverso – In questo mondo quantistico, le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente, come acceso e spento ma simultaneamente. E possono essere impigliati, ovvero possono condividere informazioni tra loro, anche su lunghe distanze e anche senza una connessione fisica “. Gli scienziati di Argonne e UChicago compiono un passo importante nello sviluppo di Internet quantistico nazionale | Argonne National Laboratory (anl.gov)
Come altre aree della scienza, ci sono teorie concorrenti su ciò che costituisce la prova quantistica. Ma ci sono molti sviluppi molto recenti ed eccitanti in questa evoluzione che hanno creato un percorso per questa nuova era dell’informatica quantistica. Ciò include scoperte quantistiche derivanti dall’utilizzo di segnali luminosi da reti di fotoni e codifica quantistica in microchip di silicio.
Una scoperta fatta dal team di ricerca del Quantum Photonics Laboratory presso RMIT a Melbourne, in Australia, ha dimostrato per la prima volta il perfetto trasferimento di stato di un bit quantistico entangled (qubit) su un dispositivo fotonico integrato. Il direttore del laboratorio di fotonica quantistica, il dott. Alberto Peruzzo, ha osservato che si tratta di una “svolta che ha il potenziale per aprire il calcolo quantistico nel prossimo futuro”. Il calcolo quantistico si avvicina mentre gli scienziati si dirigono verso il primo bus di dati quantistici: i ricercatori stanno sperimentando un processore quantistico in grado di instradare le informazioni da diverse località hanno trovato un percorso verso il bus di dati quantistici – ScienceDaily
Nel 2019, il computer quantistico di Google ha eseguito un calcolo in meno di quattro minuti che richiederebbe 10.000 anni al computer più potente del mondo ed è circa 158 milioni di volte più veloce del supercomputer più veloce del mondo. Il computer quantistico di Google è circa 158 milioni di volte più veloce del supercomputer più veloce del mondo | di Vidar | Prevedere | Febbraio, 2021 | Medio I nuovi computer in scala, velocità e capacità raggiungono continuamente nuovi traguardi.
Sezione Super Quantum Computer
Vista ravvicinata dei componenti quantistici GETTY
La cooperazione pubblico-privato si sta espandendo in modo significativo nella ricerca della comprensione quantistica. Cinque nuovi centri nazionali di ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica sono stati creati dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, ricercatori del mondo accademico, laboratori nazionali degli Stati Uniti e industria lavoreranno insieme per contribuire a catalizzare la ricerca scientifica dell’informazione quantistica. Le società coinvolte nei centri di ricerca includono progetti IBM , Microsoft , Intel , Applied Materials e Lockheed Martin. I fondi provenivano da $ 1,2 miliardi stanziati dal National Quantum Initiative Act .
SCIENTIFIC AMERICAN
L’informatica quantistica potrebbe essere più vicina di quanto pensi
I computer quantistici rappresentano un cambiamento di paradigma nel calcolo. Stiamo entrando in un periodo affascinante nello sviluppo dei computer quantistici. I sistemi quantistici stanno aumentando sia in termini di dimensioni che di affidabilità e si stanno avvicinando a mostrare un vantaggio reale rispetto ai computer classici. Poiché questa tecnologia è ancora in una fase così precoce, è possibile che il suo vero impatto non sia ancora del tutto compreso. Questo rende questo campo ancora più affascinante da seguire.
I potenziali vantaggi e applicazioni dell’informatica quantistica per la società hanno molti casi d’uso. Di seguito è riportato un buon riepilogo. “
I computer quantistici forniranno un’enorme velocità per problemi specifici. I ricercatori stanno lavorando per costruire algoritmi per scoprire e risolvere i problemi adatti per accelerazioni quantistiche.
La velocità dei computer quantistici migliorerà molte delle nostre tecnologie che richiedono un’immensa potenza di calcolo come Machine Learning, 5G (e anche velocità Internet più elevate), treni proiettili (e molti altri metodi di trasporto) e molti altri.
Il quantum computing è importante nell’attuale era dei Big Data, poiché abbiamo bisogno di computer efficienti per elaborare l’enorme quantità di dati che produciamo quotidianamente.
Nonostante siano computazionali, i computer quantistici possono ridurre il consumo di energia da 100 a 1000 volte rispetto al tunneling quantistico.
Fonte: Quantum Computing: vantaggi e applicazioni (autome.me)
Le categorie scientifiche che saranno direttamente influenzate dal quantum includono fisica, chimica, matematica e biologia. Le applicazioni per l’industria avranno un impatto su settori verticali come sanità, finanza, commercio, comunicazioni, sicurezza, sicurezza informatica e crittografia, energia, esplorazione spaziale e numerose altre discipline. Fondamentalmente, qualsiasi settore in cui i dati sono un ingrediente.
Queste scoperte sono solo la punta dell’iceberg in quanto ci sono dozzine di altri importanti sviluppi nel campo. Resta ancora da fare una grande quantità di ricerca, sviluppo e prototipazione. Molti esperti continuano a vedere che il calcolo quantistico è ancora teorico, ma alcuni dicono che sembra che ci stiamo avvicinando alla porta quantistica trasformazionale che ci permetterà di entrare nella nuova era dell’informatica.
I governi, il mondo accademico e molti leader tecnologici nell’industria stanno ora investendo con maggiore intensità in ricerca e sviluppo e stanno contribuendo alla ricerca di sviluppare il calcolo quantistico funzionale. Sicuramente siamo sulla via della nuova era, l’informatica quantistica è ancora in una fase nascente, ma potremmo arrivarci prima di quanto immaginassimo.
Chuck Brooks
