Qubit

Questo Sconosciuto! il Computer Quantistico.

La quantistica è quel ramo della scienza che studia le proprietà fisiche della natura a livello degli atomi e delle particelle subatomiche. Un quanto infatti è la quantità minima di qualsiasi entità fisica, la cui grandezza può assumere solo valori discreti costituiti da multipli interi di detto quanto, coinvolta in un'interazione. Un fotone per esempio è un quanto di luce di una frequenza specifica.

Un computer quantistico sfrutta i fenomeni della quantistica, che come vedremo presenta caratteristiche non riscontrabili nel mondo in cui viviamo (quasi fantascientifiche) per fare calcoli a un livello impensato per i computer tradizionali.

Ma com'è possibile? È grazie un nuovo paradigma, che ha completamente stravolto il funzionamento dei computer, passando dai bit (abbreviazione di binary digits) ai qubit (quantum bit, o bit quantistico). Un computer tradizionale più potente non cambia la struttura di base, esegue solo più velocemente le istruzioni, mentre i computer quantistici, grazie alla capacità di manipolare i qubit, inaugurano una nuova era informatica.

Andiamo quindi a scoprire i vari termini che entrano in gioco in questo "universo" microscopico, in modo da poter comprendere meglio cosa sia un computer quantistico.

Cos'è un Qubit.

I processori dei computer che utilizziamo tutti i giorni utilizzano minuscoli transistor che funzionano come interruttori acceso/spento per fornire due possibili valori, 0 o 1, altrimenti noti come bit. Questi bit possono essere configurati in unità più grandi e complesse, essenzialmente lunghe stringhe di 0 e 1, che vengono codificate tramite comandi di dati che dicono al computer cosa fare, come visualizzare un video, giocare a un videogioco o mostrare un post su Facebook.

Ma nei computer quantistici è tutto diverso. Al posto dei bit in un computer classico, l'unità di base delle informazioni nel calcolo quantistico è ciò che è noto come qubit. Queste sono tipicamente particelle subatomiche come fotoni o elettroni, e sono un sistema quantistico che consente di memorizzare informazioni quantistiche.

I qubit rappresentano un sistema a due stati, proprio come un bit classico, tranne per il fatto che può esistere anche in una sovrapposizione dei suoi due stati, il che consente di fornire molta più potenza di elaborazione rispetto allo stesso numero di bit binari. Andiamo a scoprire cosa significa questo termine.

Cosa significa Sovrapposizione di Stati.

Abbiamo detto che una particolarità dei qubit è la loro capacità non solo di essere in uno stato 1 o 0, ma anche in possibili combinazioni dei due stati contemporaneamente. Questa capacità di essere simultaneamente in più stati è chiamata sovrapposizione.

In un certo senso, una sovrapposizione è come una distribuzione di probabilità sui due valori, e un calcolo quantistico può essere influenzato da entrambi i valori contemporaneamente, inspiegabile da entrambi gli stati individualmente. In questo senso, un qubit sovrapposto memorizza entrambi i valori contemporaneamente: 0 e 1. 

Mettiamo per esempio una moneta: è testa o croce. Ma se la fate girare, almeno finché gira, è sia croce che testa.

Per mettere i qubit in sovrapposizione, i ricercatori li manipolano usando laser di precisione o raggi a microonde e un computer quantistico con diversi qubit in sovrapposizione può analizzare contemporaneamente un vasto numero di potenziali risultati. Il risultato finale di un calcolo emerge solo dopo che i qubit sono stati misurati, il che fa immediatamente collassare il loro stato quantico a 1 o 0. Tornando all'esempio della moneta, quando cade noi possiamo "misurare" il risultato, ovvero capire se è testa o croce.

Cosa significa Entanglement.

A questo punte sorge un'altra complicazione, che ha del magico. I ricercatori infatti possono generare coppie di qubit che sono entangled, ovvero in cui i due membri della coppia esistono in un singolo stato quantico. Questo significa che la modifica dello stato di uno dei qubit cambierà istantaneamente lo stato dell'altro in modo prevedibile. Questo accade anche se sono separati da distanze molto ampie.

Il paradosso è che una misurazione effettuata su una delle particelle apparentemente fa collassare lo stato dell'intero sistema entangled, e lo fa istantaneamente, prima che qualsiasi informazione sul risultato della misurazione possa essere comunicata all'altra particella (supponendo che l'informazione non possa viaggiare più velocemente della luce).

In realtà il fenomeno non ha equivalenti nel mondo classico e non viola la teoria della relatività, perché non permette lo scambio di dati istantaneo (sì è complicato, ma i Nobel per la fisica del 2022 sono stati assegnati proprio per questi studi).

La questione aveva dato molto da pensare ad Einstein, che descrisse questo effetto come azione spettrale a distanza, ed è la chiave del potere dei computer quantistici. In un computer convenzionale, raddoppiare il numero di bit raddoppia la sua potenza di elaborazione. Ma grazie all'entanglement, l'aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica produce un aumento esponenziale della sua capacità di elaborazione numerica.

I computer quantistici sfruttano i qubit entangled in una sorta di catena quantistica, che grazie ad algoritmi quantistici appositamente progettati, permettono di velocizzare calcoli in maniera impensabile. Per darvi un esempio, otto bit sono sufficienti a un computer classico per rappresentare qualsiasi numero compreso tra 0 e 255. Ma otto qubit sono sufficienti a un computer quantistico per rappresentare contemporaneamente tutti i numeri compresi tra 0 e 255. Basterebbero poche centinaia di qubit entangled per rappresentare più numeri di quanti siano gli atomi nell'universo.

Sembrerebbe tutto perfetto, se non ci fosse un grosso "MA".

Il problema è che le macchine quantistiche sono molto più soggette a errori rispetto ai computer classici a causa di un fenomeno chiamato decoerenza.

Cosa significa Decoerenza.

L'interazione dei qubit con il loro ambiente in modi che causano il decadimento del loro comportamento quantistico e alla fine scompaiono è chiamata decoerenza. Il loro stato quantico è infatti estremamente fragile: la minima vibrazione o cambiamento di temperatura - disturbi noti come "rumore" nel linguaggio quantistico - può farli cadere fuori dalla sovrapposizione prima che il loro lavoro sia stato svolto correttamente.

Ecco perché i qubit vengono protetti dal mondo esterno in celle superraffreddate (-240 gradi centigradi) e inserite in camere a vuoto. Ma nonostante gli sforzi, il rumore causa ancora molti errori nei calcoli. Gli algoritmi quantistici intelligenti possono compensarne alcuni, e anche l'aggiunta di più qubit aiuta, ma probabilmente ci vorranno migliaia di qubit standard per crearne uno unico, altamente affidabile, noto come qubit "logico". E questo purtroppo ridurrà gran parte della capacità computazionale di un computer quantistico.

Il problema è che non si possono aggiungere quanti qubit si voglia. Al momento il computer quantistico con il maggiore numero di qubit è Osprey di IBM, che contiene 433 qubit. Annunciato a novembre 2022, il computer ha triplicato il precedente detentore del record, Eagle, che aveva 127 qubit, e distanziato ulteriormente Sycamore di Google, con 53 qubit.

Per combattere la decoerenza, aziende come IBM, Google e Rigetti Computing utilizzano circuiti superconduttori raffreddati a temperature più fredde dello spazio profondo, mentre altri, come IonQ, intrappolano singoli atomi in campi elettromagnetici su un chip di silicio in camere a vuoto molto spinto. In entrambi i casi, l'obiettivo è isolare i qubit in uno stato quantico controllato.

Come vedete, lo sviluppo è particolarmente frenetico, e c'è una corsa al raggiungimento di un obiettivo, che forse avrete già sentito: la supremazia quantistica.

Cosa significa Supremazia Quantistica.

Questo termine, dai richiami quasi cinematografici (e che ha anche sollevato aspre critiche per l'assonanza con alcuni movimenti razzisti), ha un significato chiaro: è il punto in cui un computer quantistico può completare un calcolo matematico che è chiaramente al di là della portata anche del più potente supercomputer.

Nel 2019 Google aveva dichiarato di averla raggiunta con il suo computer Sycamore da 53 qubit, effettuando un calcolo che avrebbe richiesto 10 mila anni di computazione "ordinaria" in appena 3 minuti e 20 secondi. Apriti cielo. Tutte le aziende nel settore hanno raddoppiato gli sforzi per vantare il primato (peraltro discutibile dal punto di vista scientifico ma immenso per l'immagine), e tra queste hanno destato scalpore i risultati dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, con i computer Jiuzhang 2.0 e Zuchongzhi, D-Wave e, per ultimo, della canadese Xanadou nel 2022.

Invece di aspettare che venga dichiarata la supremazia, le aziende stanno già iniziando a sperimentare computer quantistici realizzati da aziende come IBM, Rigetti e D-Wave, sia comprandoli che sfruttando le possibilità del calcolo su cloud.

Programmazione Quantistica.

Vista la differenza con i computer tradizionali, anche la programmazione dei computer quantistici ha aperto un campo completamente nuovo. La programmazione quantistica è il processo di assemblaggio di sequenze di istruzioni, chiamate circuiti quantistici, in grado di funzionare su un computer quantistico.

I linguaggi di programmazione quantistica aiutano a esprimere algoritmi quantistici utilizzando costrutti di alto livello, e il campo aderisce alla filosofia open source.

Esistono due gruppi principali di linguaggi di programmazione quantistica:

• linguaggi di programmazione quantistica imperativi, i cui rappresentanti più importanti sono QCL, LanQ e Q|SI
• linguaggi di programmazione quantistica funzionali, adatti per ragionare sui programmi. Gli esempi includono QPL di Selinger e QML di Altenkirch e Grattage.

La Potenza di Calcolo di un Computer Quantistico.

Ma quanto è potente un computer quantistico? Difficile dare un ordine di grandezza, ma certamente la corsa alla supremazia quantistica può darci un'indicazione del salto di qualità di questo nuovo settore.

In teoria, un computer quantico a 30 qubit equivarrebbe alla potenza di elaborazione di un computer convenzionale in grado di eseguire teraflop (trilioni di operazioni in virgola mobile al secondo). Per dare un paragone, un computer desktop tipico di oggi funziona a velocità misurate in gigaflop (miliardi di operazioni in virgola mobile).

I tipi di Computer Quantistico.

Ci sono diversi tipi di computer quantistici, in genere divisi nella modalità qubit che stanno sfruttando. Attualmente, ci sono cinque principali approcci di tipo qubit.

• Superconduttore: il tipo di computer quantistico più utilizzato. Questi tipi di computer quantistici utilizzano minuscoli circuiti elettrici per produrre e infine manipolare qubit, che di solito sono fatti di materiali superconduttori. Attualmente, le aziende che lavorano su questa modalità qubit includono organizzazioni come Google, IBM, Microsoft, Rigetti Computing, IQM e Quantum Circuits, Inc.
• A trappola ionica: utilizzano atomi o molecole con una carica elettrica netta chiamati ioni che vengono intrappolati e manipolati utilizzando campi elettrici e magnetici per immagazzinare ed elaborare informazioni quantistiche. Le aziende che sviluppano computer quantistici in questo campo includono organizzazioni come Quantinuum (formata dopo una fusione di Honeywell Quantum Solutions e Cambridge Quantum Computing), ionQ, Alpine Quantum Technologies ed eleQtron.
• Fotonico: usano fotoni (particelle di luce) per trasportare ed elaborare informazioni quantistiche. Gli attori commerciali che rappresentano questa modalità qubit includono organizzazioni come PsiQuantum, Xanadu e ORCA Computing.
• Atomi neutri: si sfruttano atomi sospesi in un vuoto ultraelevato da matrici di raggi laser strettamente focalizzati chiamati pinzette ottiche. Gli attori commerciali qui includono organizzazioni come ColdQuanta, QuEra e Pasqal.
• Punti quantici: qubit costituiti da coppie di punti quantici, che sono qubit di silicio. Le aziende che hanno investito in questo approccio includono organizzazioni come Diraq, Intel e Quantum Motion.
• Altre modalità Qubit: esistono anche molti altri approcci come elettroni su elio, computer quantistici che utilizzano CMOS al silicio e i centri di lacuna, o vacanza, dell'azoto (Nitrogen-Vacancy, NV)

A Cosa Serve un Computer Quantistico.

Ma abbiamo bisogno di un computer quantico? La risposta è, sì. Una delle applicazioni più promettenti dei computer quantistici, che è poi quello che auspicava Feynman, è la simulazione del comportamento della materia fino al livello molecolare.

Produttori di automobili come Volkswagen e Daimler stanno utilizzando computer quantistici per simulare la composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici per aiutare a trovare nuovi modi per migliorare le loro prestazioni. Airbus li utilizza per calcolare i percorsi di salita e discesa più efficienti in termini di consumo di carburante per gli aerei, e sempre Volkswagen ha svelato un servizio che calcola i percorsi ottimali per autobus e taxi nelle città al fine di ridurre al minimo la congestione. Anche le aziende farmaceutiche li stanno sfruttando, per analizzare e confrontare composti che potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci.

Per non parlare di un loro impiego nel campo dell'intelligenza artificiale.

Potrebbero volerci diversi anni prima che i computer quantistici raggiungano il loro pieno potenziale, ma gli investimenti sono enormi e le potenzialità, infinite, in quanto potrebbero trasformare interi settori e potenziare l'innovazione globale.

C'è poi la questione energetica.

 Poiché un computer quantistico può risolvere problemi in poche ore mentre un supercomputer potrebbe impiegare diverse decine di miliardi di anni, è naturale aspettarsi che consumerà molta meno energia, anche considerando l'energia necessaria per raffreddarlo. Tuttavia la produzione di computer quantistici così potenti potrebbe richiedere diverso tempo prima di realizzarsi, quindi un compromesso potrebbe essere quello di creare computer quantistici meno prestanti, ma attuabili, e comunque molto più potenti ed efficienti dei supercomputer standard attuali.

Ma potrebbero esserci anche alcuni effetti collaterali indesiderati nell'era quantistica.

Una preoccupazione primaria è che i computer quantistici del futuro possano essere dotati di capacità di calcolo così potenti da poter infrangere i protocolli di crittografia fondamentali per la sicurezza di Internet che abbiamo oggi, e sono già stati realizzati algoritmi al riparo da questo tipo di pericolo.

Ma poi c'è il problema dei dati già esistenti che non sono stati crittografati con algoritmi quantistici sicuri: forse ora viene trasmesso qualcosa che è ancora delicato tra una decina d'anni, e potrebbe essere decifrato da qualcuno che non dovrebbe.

I Progetti per Computer Quantistici.

Ne abbiamo già accennato, ma andiamo a scoprire i progetti dei principali attori nel campo dei computer quantistici. Google e IBM sono i più famosi, ma non possiamo scordare Rigetti Computing, D-Wave, Xanadou e l'Università delle Scienze e della Tecnologia della Cina (USTC).

Il programma di Google per creare un computer quantistico è chiamato Sycamore, un processore quantico da 53 qubit. Sycamore è il motivo per cui il gigante della ricerca ha dichiarato di aver ottenuto la supremazia quantica nel 2019, e negli anni successivi è stato utilizzato per diversi esperimenti particolarmente interessanti, che nel 2022 hanno portato a simulare le dinamiche di attraversamento di un buco nero. 

Ma Sycamore è solo l'inizio: l'obiettivo di Google è costruire computer quantistici scalabili e, come suggerisce il nome del programma, Quantum AI , anche contribuire allo sviluppo di modelli di intelligenza artificiale. Per questo ha sviluppato un framework open source per la programmazione di computer quantistici chiamato Clrq e un Quantum AI campus a Santa Barbara.

Anche IBM ha un programma molto avanzato e dinamico in questo settore. La società di Redmond ha reagito malamente alle affermazioni di Google di aver raggiunto la supremazia quantistica nel 2019, e ha mostrato come il suo supercomputer standard Summit potesse effettuare lo stesso calcolo di Sycamore in 2,5 giorni (e non 10.000 anni).

L'ultimo computer quantistico di IBM, svelato al Quantum Summit 2022, è Osprey, e come detto ha battuto il record per il numero di qubit, con ben 433. Secondo Darío Gil, Vicepresidente senior, IBM e Direttore della ricerca, Osprey avvicina l'azienda al punto in cui i computer quantistici verranno utilizzati per affrontare problemi precedentemente irrisolvibili, e ha presentato una roadmap molto serrata, che porterà già per quest'anno a processori con un migliaio di qubit, per il 2025 le prime applicazioni concrete e per il 2026 la correzione degli errori, fondamentale per ridurre la dipendenza dall'isolamento estremo dei processori.

La società ha inoltre creato Qiskit Runtime, il servizio di calcolo quantistico e modello di programmazione per la creazione, l'ottimizzazione e l'esecuzione di carichi di lavoro su larga scala e, con IBM Quantum, un servizio cloud per accedere ai computer quantistici, imparare a programmare e testare le applicazioni.

Il prezzo di un computer quantistico.

Quanto costa un computer quantistico, vi chiederete. Queste macchine sono altamente sofisticate e, a causa della necessità di ridurre al minimo il rumore, inserite in strutture che le mantengono non solo a bassissime temperature, ma anche lontane da qualunque interferenza, tramite potenti campi elettromagnetici o il vuoto spinto. 

Comprenderete che lo sviluppo e l'utilizzo di questi sistemi sia limitato a società con possibilità di spesa enormi, ma per darvi un'idea il computer quantistico D-Wave 2000Q aveva un costo di circa 15 milioni di dollari nel 2017.

I sistemi di calcolo quantistico come IBM vengono venduti per decine di milioni di dollari come parte di un contratto di servizio completo per diversi anni, e il kit di sviluppo che va nella maggior parte dei sistemi costa nell'ordine dei centinaia di migliaia di dollari.

E poi ci sono i servizi cloud. Il servizio basato su cloud di calcolo quantistico di Azure di Microsoft consente agli utenti principianti di utilizzare 500 dollari di crediti Azure Quantum gratuiti da utilizzare con ciascun fornitore di hardware quantistico partecipante.

Un altro fornitore di computer quantistici è AWS, i cui prezzi prevedono di utilizzare il suo servizio basato su cloud a partire da 29 dollari al mese e includono AWS Support.

Insomma, se sentite che c'è in vendita un computer quantistico "desktop", è difficile credergli. È il caso di SpinQ, un computer quantistico destinato alle scuole da 5.000 dollari creato da Shenzhen SpinQ Technology, con sede a Shenzhen, in Cina.

Il pesante computer desktop da 54 chili è una versione ridotta del tipo di computer quantistici che si trovano negli istituti di ricerca e nelle università, e può elaborare solo due qubit.

Secondo SpinQ, sarebbe però in grado di portare a termine alcuni calcoli quantistici di base una volta collegato a un computer convenzionale, ad esempio consentendogli di cercare nei database molto più rapidamente.

Per funzionare, il computer di SpinQ si baserebbe sulla risonanza magnetica nucleare, il processo di intrappolare le molecole in potenti campi magnetici e farle esplodere con impulsi di radiofrequenze per cambiare lo stato di rotazione dei loro singoli atomi. Ad oggi non sappiamo se sia mai stato messo in vendita o se funzioni, ma in ogni caso non è certo quello che abbiamo descritto in questa guida, anche perché è difficile che i qubit non subiscano influenze dal mondo esterno. 

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