I computer quantistici, come questo modello IBM, sembrano fantascienza che prendono vita.
(Credito: Graham Carlow per IBM) L'enorme incrocio tra Janes Avenue e East Boughton Road a Bolingbrook, Illinois, assomiglia a molti altri incroci nell'America suburbana.
Uno Starbucks drive-through sorveglia oltre 15 corsie di svolta e fusione di SUV di medie dimensioni, la maggior parte si dirige verso i vasti parcheggi del centro commerciale Promenade a sud, alcuni altri in rotta verso il poligono di tiro e il negozio di armi attraverso l'Interstate 355 verso est.
Poche delle persone nei SUV si rendono conto che stanno guidando una parte della fiorente ricerca americana sulla tecnologia dell'informazione quantistica.
Sotto l'interstatale, i fotoni entangled - particelle quantistiche che si muovono alla velocità della luce - si stanno teletrasportando da e verso l'Argonne National Laboratory nella prossima città, attraverso cavi in ??fibra ottica riproposti che costituiscono una delle reti quantistiche terrestri più lunghe in la nazione.
(Credito fotografico: Yuichiro Chino / Getty) I ricercatori sperano di utilizzare il sito di test quantistico di 52 miglia a Bolingbrook e altri simili per dimostrare che è possibile intrappolare informazioni all'interno di uno stato quantistico della materia (come un fotone) in un luogo, inviarlo da qualche altra parte e accedervi completamente intatto su l'altra estremità.
Devono tenere conto delle sfide del terreno ghiacciato, della radiazione solare e delle vibrazioni di tutti quei veicoli che viaggiano in alto, ma se possono provarlo, avranno inventato un modo di comunicare che fa sembrare il 5G bizzarro.
I ricercatori di altri laboratori stanno contemporaneamente cercando di alimentare algoritmi in stati elementari simili della materia, noti come bit quantistici, e farli uscire trasformati correttamente alla fine del calcolo.
Se avrà successo, avranno a disposizione un tipo di computer completamente nuovo.
È chiaro da anni ai fisici che i principi consolidati della meccanica quantistica possono rivoluzionare l'informatica e Internet.
Se i bit quantistici possono essere addomesticati, potrebbero eseguire algoritmi in pochi secondi che altrimenti richiederebbero anni per essere completati.
I fotoni stabili potrebbero trasferire le informazioni in tutto il mondo istantaneamente in un modo che probabilmente non potrebbe mai essere violato durante il transito, poiché qualsiasi disturbo distruggerebbe le informazioni.
Per il resto di noi, la rivoluzione quantistica potrebbe sembrare come se si fosse appena trasformata da una teoria scientifica assonnata nel più acuto dei bordi sanguinanti.
È anche possibile che attualmente stiamo sperimentando qualcosa di simile a una bolla quantistica e che potrebbe essere sul punto di scoppiare.
Nel 2017, la maggior parte dei loop di test quantistici erano solo cavi in ??fibra ottica dormienti e nessuno era stato in grado di ottenere bit quantistici per elaborare in modo affidabile le informazioni allo stesso modo dei computer classici.
Ora, ci sono più di una dozzina di computer quantistici funzionanti in tutto il mondo, alcuni dei quali qualsiasi sviluppatore di software può accedere tramite servizi familiari: ad esempio, un account Amazon Web Services.
Negli ultimi due anni, l'America ha impegnato più di 1 miliardo di dollari in fondi governativi per la ricerca sull'informazione quantistica, le startup di informatica quantistica hanno chiuso più round di finanziamento di ventura e IBM ha annunciato che sta andando avanti con i piani per costruire un computer con più di un milione bit quantistici, da un massimo di circa 60 oggi.
Nonostante i progressi avvengano a un ritmo vertiginoso, molte delle persone che lavorano nel campo nascente della scienza dell'informazione quantistica riconoscono che gli stati quantistici non sono ancora affidabili o compresi abbastanza bene da sostituire i computer tradizionali e Internet.
Alcuni credono che non lo saranno mai, che nessuno acquisterà mai un telefono con bit quantici invece di un Apple A12 Bionic, e che i bit quantistici e altre particelle elementari saranno relegati per sempre alla ricerca scientifica.
Cos'è il Quantum Computing?
Un computer composto da bit quantistici, qubit, in breve, è in realtà un insieme di circuiti.
Come in un classico computer composto da bit, i valori di ingresso procedono attraverso una serie di porte logiche nel circuito, ciascuna delle quali modifica il valore per produrre un'uscita.
La differenza più importante tra il calcolo quantistico e il calcolo classico è che i bit sono binari.
Sono su o giù, aperti o chiusi, zero o uno.
Qubit, d'altra parte, può essere impigliato, presente in più stati contemporaneamente, un cosiddetto sovrapposizione.
(Guarda il video sopra, da Rigetti Computing, per maggiori dettagli.)
Se stai cercando di risolvere un algoritmo complesso, ad esempio come parte di un'applicazione software da eseguire su un computer classico, dovrai mettere insieme più bit di zero e uno.
Ma se stai eseguendo un algoritmo usando qubit, potresti aver bisogno di un solo qubit in una sovrapposizione per sostituire tutti quei bit classici.
Metti insieme più qubit in un circuito quantistico e le possibilità sono sbalorditive.
Teoricamente, potresti eseguire un algoritmo così complesso che non esiste un analogo al calcolo classico come lo conosciamo.
Il problema più difficile da risolvere per migliorare l'informatica e le comunicazioni quantistiche è la fragilità dello stato quantistico della materia.
Stiamo iniziando a essere in grado di proteggere le particelle quantistiche in viaggio dagli effetti del tempo e delle vibrazioni della strada, ma solo in cicli di prova, non oltre le migliaia di miglia necessarie per sostituire l'attuale Internet.
Allo stesso modo, nessuno ha ancora capito come far funzionare i qubit in modo affidabile, anche in un ambiente di laboratorio controllato.
Chip IBM Quantum Falcon a 27 qubit con volume quantico 64 (Photo credit: JIBM) Funzionano abbastanza bene in piccoli gruppi e limitati a tipi specifici di calcoli, come IBM ha dimostrato utilizzando un computer stabile a 27 qubit chiamato Falcon all'inizio di quest'anno.
Sono principalmente utili per scopi di test: i ricercatori possono fornire loro problemi con soluzioni note e quindi convalidare le loro risposte.
Ma finora, i qubit si sono dimostrati troppo fragili per funzionare in modo affidabile in gruppi più grandi, il che limita effettivamente la loro capacità di passare dalla beta ed eseguire accuratamente qualsiasi calcolo che farebbe un computer classico.
"Man mano che aumentiamo il numero di qubit, sei in grado di esplorare un insieme molto più vario di circuiti quantistici", afferma Jerry Chow, senior manager dell'Experimental Quantum Computing Group presso IBM.
se solo fosse così semplice.
Il problema del "qubit con perdita", come dice Chow, significa che parti di ogni computer quantistico che esiste oggi sono dedicate solo alla risoluzione degli errori nei loro calcoli, invece di eseguire i calcoli stessi.
Il volume quantico di un computer, un valore numerico che descrive il suo massimo potenziale per eseguire calcoli, è sempre inferiore al numero di qubit che contiene.
Allo stesso modo, il numero di fotoni che iniziano il loro viaggio intatti all'inizio di un viaggio attraverso un ciclo di prova è sempre maggiore del numero che ritornano.
Per aggirare questo problema e sbloccare il pieno potenziale dell'informatica quantistica, alcuni ricercatori stanno lavorando per aggiungere codici di correzione degli errori, che sono già implementati in alcuni computer classici.
Altri stanno esplorando metodi alternativi per applicare la fisica quantistica al calcolo che non coinvolgono porte e circuiti.
Una possibilità è indurre le particelle quantistiche a ignorare il rumore di fondo - vibrazioni, sbalzi di temperatura e campi elettromagnetici vaganti, per esempio - che li fa crollare.
Un team dell'Università di Chicago ha annunciato ad agosto di aver eseguito con successo questo tipo di inganno in un esperimento limitato.
Ricottura quantistica è un'altra tecnica con potenziale.
Implica lo sfruttamento delle fluttuazioni negli stati quantistici per eseguire calcoli invece di inviarli attraverso porte in un circuito.
Alcuni computer quantistici disponibili in commercio di D-Wave, una piccola azienda canadese, utilizzano questo metodo.
Ma soffrono anche di errori e finora si sono dimostrati efficaci nel risolvere solo tipi specifici di algoritmi, ad esempio quelli basati sul problema del "venditore ambulante", che cerca di trovare il percorso più breve possibile tra un insieme di punti.
La Volkswagen ha utilizzato l'approccio di D-Wave in un esperimento l'anno scorso per aiutare gli autobus a Lisbona, in Portogallo, a sfuggire agli ingorghi.
L'esperimento è stato dichiarato un successo, sebbene si sia limitato a portare i partecipanti di una conferenza tecnologica dall'aeroporto al centro congressi.
Jerry Chow, ricercatore IBM nel gruppo Experimental Quantum Computing, si prepara per un esperimento quantistico.
(Credito fotografico: Jon Simon / Feature Photo Service for IBM) L'esempio più famigerato del problema con perdita di qubit è emerso nell'ottobre 2019, quando i ricercatori di Google hanno annunciato di aver completato un test di benchmark su un computer quantistico a 53 qubit in 200 secondi.
Il test avrebbe richiesto un supercomputer classico molto più a lungo, da pochi giorni a 10.000 anni, a seconda delle sue specifiche.
Sulla base dell'esperimento, soprannominato Sycamore, Google ha affermato di aver raggiunto supremazia quantistica, o la prova che un computer quantistico può gestire un algoritmo più velocemente di un computer classico senza commettere errori.
È una sorta di Sacro Graal nel campo della scienza dell'informazione quantistica e il CEO di Google Sundar Pichai si è affrettato a salutarlo come il momento del "ciao mondo" dell'informatica quantistica.
Poco dopo, tuttavia, i ricercatori hanno contestato se l'esperimento fosse significativo come affermato da Google, scatenando una lite degna di nota.
Per Wiliam Oliver, un fisico del MIT che studia i qubit, il problema più grande con la supremazia quantistica non è se esista o meno, ma quando si rompe.
“La maggior parte delle persone nel mondo pensa [Google] raggiunto ", ha detto di Sycamore.
"Ma se avessero aggiunto un altro paio di qubit, non sarebbero stati in grado di farlo." Oliver pensa che i vantaggi dell'informatica quantistica siano più della semplice supremazia sui computer classici.
Il vero Santo Graal, dice, è che l'informatica quantistica "sia in grado di eseguire qualsiasi cosa per qualsiasi periodo di tempo senza errori".
Anche un anno dopo, Jerry Chow pensa ancora all'annuncio di Google come una nota a piè di pagina sul viaggio per creare computer quantistici che i ricercatori e persino le persone normali ...
I computer quantistici, come questo modello IBM, sembrano fantascienza che prendono vita.
(Credito: Graham Carlow per IBM) L'enorme incrocio tra Janes Avenue e East Boughton Road a Bolingbrook, Illinois, assomiglia a molti altri incroci nell'America suburbana.
Uno Starbucks drive-through sorveglia oltre 15 corsie di svolta e fusione di SUV di medie dimensioni, la maggior parte si dirige verso i vasti parcheggi del centro commerciale Promenade a sud, alcuni altri in rotta verso il poligono di tiro e il negozio di armi attraverso l'Interstate 355 verso est.
Poche delle persone nei SUV si rendono conto che stanno guidando una parte della fiorente ricerca americana sulla tecnologia dell'informazione quantistica.
Sotto l'interstatale, i fotoni entangled - particelle quantistiche che si muovono alla velocità della luce - si stanno teletrasportando da e verso l'Argonne National Laboratory nella prossima città, attraverso cavi in ??fibra ottica riproposti che costituiscono una delle reti quantistiche terrestri più lunghe in la nazione.
(Credito fotografico: Yuichiro Chino / Getty) I ricercatori sperano di utilizzare il sito di test quantistico di 52 miglia a Bolingbrook e altri simili per dimostrare che è possibile intrappolare informazioni all'interno di uno stato quantistico della materia (come un fotone) in un luogo, inviarlo da qualche altra parte e accedervi completamente intatto su l'altra estremità.
Devono tenere conto delle sfide del terreno ghiacciato, della radiazione solare e delle vibrazioni di tutti quei veicoli che viaggiano in alto, ma se possono provarlo, avranno inventato un modo di comunicare che fa sembrare il 5G bizzarro.
I ricercatori di altri laboratori stanno contemporaneamente cercando di alimentare algoritmi in stati elementari simili della materia, noti come bit quantistici, e farli uscire trasformati correttamente alla fine del calcolo.
Se avrà successo, avranno a disposizione un tipo di computer completamente nuovo.
È chiaro da anni ai fisici che i principi consolidati della meccanica quantistica possono rivoluzionare l'informatica e Internet.
Se i bit quantistici possono essere addomesticati, potrebbero eseguire algoritmi in pochi secondi che altrimenti richiederebbero anni per essere completati.
I fotoni stabili potrebbero trasferire le informazioni in tutto il mondo istantaneamente in un modo che probabilmente non potrebbe mai essere violato durante il transito, poiché qualsiasi disturbo distruggerebbe le informazioni.
Per il resto di noi, la rivoluzione quantistica potrebbe sembrare come se si fosse appena trasformata da una teoria scientifica assonnata nel più acuto dei bordi sanguinanti.
È anche possibile che attualmente stiamo sperimentando qualcosa di simile a una bolla quantistica e che potrebbe essere sul punto di scoppiare.
Nel 2017, la maggior parte dei loop di test quantistici erano solo cavi in ??fibra ottica dormienti e nessuno era stato in grado di ottenere bit quantistici per elaborare in modo affidabile le informazioni allo stesso modo dei computer classici.
Ora, ci sono più di una dozzina di computer quantistici funzionanti in tutto il mondo, alcuni dei quali qualsiasi sviluppatore di software può accedere tramite servizi familiari: ad esempio, un account Amazon Web Services.
Negli ultimi due anni, l'America ha impegnato più di 1 miliardo di dollari in fondi governativi per la ricerca sull'informazione quantistica, le startup di informatica quantistica hanno chiuso più round di finanziamento di ventura e IBM ha annunciato che sta andando avanti con i piani per costruire un computer con più di un milione bit quantistici, da un massimo di circa 60 oggi.
Nonostante i progressi avvengano a un ritmo vertiginoso, molte delle persone che lavorano nel campo nascente della scienza dell'informazione quantistica riconoscono che gli stati quantistici non sono ancora affidabili o compresi abbastanza bene da sostituire i computer tradizionali e Internet.
Alcuni credono che non lo saranno mai, che nessuno acquisterà mai un telefono con bit quantici invece di un Apple A12 Bionic, e che i bit quantistici e altre particelle elementari saranno relegati per sempre alla ricerca scientifica.
Cos'è il Quantum Computing?
Un computer composto da bit quantistici, qubit, in breve, è in realtà un insieme di circuiti.
Come in un classico computer composto da bit, i valori di ingresso procedono attraverso una serie di porte logiche nel circuito, ciascuna delle quali modifica il valore per produrre un'uscita.
La differenza più importante tra il calcolo quantistico e il calcolo classico è che i bit sono binari.
Sono su o giù, aperti o chiusi, zero o uno.
Qubit, d'altra parte, può essere impigliato, presente in più stati contemporaneamente, un cosiddetto sovrapposizione.
(Guarda il video sopra, da Rigetti Computing, per maggiori dettagli.)
Se stai cercando di risolvere un algoritmo complesso, ad esempio come parte di un'applicazione software da eseguire su un computer classico, dovrai mettere insieme più bit di zero e uno.
Ma se stai eseguendo un algoritmo usando qubit, potresti aver bisogno di un solo qubit in una sovrapposizione per sostituire tutti quei bit classici.
Metti insieme più qubit in un circuito quantistico e le possibilità sono sbalorditive.
Teoricamente, potresti eseguire un algoritmo così complesso che non esiste un analogo al calcolo classico come lo conosciamo.
Il problema più difficile da risolvere per migliorare l'informatica e le comunicazioni quantistiche è la fragilità dello stato quantistico della materia.
Stiamo iniziando a essere in grado di proteggere le particelle quantistiche in viaggio dagli effetti del tempo e delle vibrazioni della strada, ma solo in cicli di prova, non oltre le migliaia di miglia necessarie per sostituire l'attuale Internet.
Allo stesso modo, nessuno ha ancora capito come far funzionare i qubit in modo affidabile, anche in un ambiente di laboratorio controllato.
Chip IBM Quantum Falcon a 27 qubit con volume quantico 64 (Photo credit: JIBM) Funzionano abbastanza bene in piccoli gruppi e limitati a tipi specifici di calcoli, come IBM ha dimostrato utilizzando un computer stabile a 27 qubit chiamato Falcon all'inizio di quest'anno.
Sono principalmente utili per scopi di test: i ricercatori possono fornire loro problemi con soluzioni note e quindi convalidare le loro risposte.
Ma finora, i qubit si sono dimostrati troppo fragili per funzionare in modo affidabile in gruppi più grandi, il che limita effettivamente la loro capacità di passare dalla beta ed eseguire accuratamente qualsiasi calcolo che farebbe un computer classico.
"Man mano che aumentiamo il numero di qubit, sei in grado di esplorare un insieme molto più vario di circuiti quantistici", afferma Jerry Chow, senior manager dell'Experimental Quantum Computing Group presso IBM.
se solo fosse così semplice.
Il problema del "qubit con perdita", come dice Chow, significa che parti di ogni computer quantistico che esiste oggi sono dedicate solo alla risoluzione degli errori nei loro calcoli, invece di eseguire i calcoli stessi.
Il volume quantico di un computer, un valore numerico che descrive il suo massimo potenziale per eseguire calcoli, è sempre inferiore al numero di qubit che contiene.
Allo stesso modo, il numero di fotoni che iniziano il loro viaggio intatti all'inizio di un viaggio attraverso un ciclo di prova è sempre maggiore del numero che ritornano.
Per aggirare questo problema e sbloccare il pieno potenziale dell'informatica quantistica, alcuni ricercatori stanno lavorando per aggiungere codici di correzione degli errori, che sono già implementati in alcuni computer classici.
Altri stanno esplorando metodi alternativi per applicare la fisica quantistica al calcolo che non coinvolgono porte e circuiti.
Una possibilità è indurre le particelle quantistiche a ignorare il rumore di fondo - vibrazioni, sbalzi di temperatura e campi elettromagnetici vaganti, per esempio - che li fa crollare.
Un team dell'Università di Chicago ha annunciato ad agosto di aver eseguito con successo questo tipo di inganno in un esperimento limitato.
Ricottura quantistica è un'altra tecnica con potenziale.
Implica lo sfruttamento delle fluttuazioni negli stati quantistici per eseguire calcoli invece di inviarli attraverso porte in un circuito.
Alcuni computer quantistici disponibili in commercio di D-Wave, una piccola azienda canadese, utilizzano questo metodo.
Ma soffrono anche di errori e finora si sono dimostrati efficaci nel risolvere solo tipi specifici di algoritmi, ad esempio quelli basati sul problema del "venditore ambulante", che cerca di trovare il percorso più breve possibile tra un insieme di punti.
La Volkswagen ha utilizzato l'approccio di D-Wave in un esperimento l'anno scorso per aiutare gli autobus a Lisbona, in Portogallo, a sfuggire agli ingorghi.
L'esperimento è stato dichiarato un successo, sebbene si sia limitato a portare i partecipanti di una conferenza tecnologica dall'aeroporto al centro congressi.
Jerry Chow, ricercatore IBM nel gruppo Experimental Quantum Computing, si prepara per un esperimento quantistico.
(Credito fotografico: Jon Simon / Feature Photo Service for IBM) L'esempio più famigerato del problema con perdita di qubit è emerso nell'ottobre 2019, quando i ricercatori di Google hanno annunciato di aver completato un test di benchmark su un computer quantistico a 53 qubit in 200 secondi.
Il test avrebbe richiesto un supercomputer classico molto più a lungo, da pochi giorni a 10.000 anni, a seconda delle sue specifiche.
Sulla base dell'esperimento, soprannominato Sycamore, Google ha affermato di aver raggiunto supremazia quantistica, o la prova che un computer quantistico può gestire un algoritmo più velocemente di un computer classico senza commettere errori.
È una sorta di Sacro Graal nel campo della scienza dell'informazione quantistica e il CEO di Google Sundar Pichai si è affrettato a salutarlo come il momento del "ciao mondo" dell'informatica quantistica.
Poco dopo, tuttavia, i ricercatori hanno contestato se l'esperimento fosse significativo come affermato da Google, scatenando una lite degna di nota.
Per Wiliam Oliver, un fisico del MIT che studia i qubit, il problema più grande con la supremazia quantistica non è se esista o meno, ma quando si rompe.
“La maggior parte delle persone nel mondo pensa [Google] raggiunto ", ha detto di Sycamore.
"Ma se avessero aggiunto un altro paio di qubit, non sarebbero stati in grado di farlo." Oliver pensa che i vantaggi dell'informatica quantistica siano più della semplice supremazia sui computer classici.
Il vero Santo Graal, dice, è che l'informatica quantistica "sia in grado di eseguire qualsiasi cosa per qualsiasi periodo di tempo senza errori".
Anche un anno dopo, Jerry Chow pensa ancora all'annuncio di Google come una nota a piè di pagina sul viaggio per creare computer quantistici che i ricercatori e persino le persone normali ...
