Cosa rende buono un computer quantistico?

Undici anni fa stavo iniziando il mio dottorato di ricerca in fisica teorica e, ad essere sincero, non avevo mai pensato ai computer quantistici, né scritto su di essi. Durante questo periodo, nuovi scienziati Lo staff ha lavorato duramente per creare la prima “Guida all’acquisto di computer quantistici” al mondo (siamo sempre all’avanguardia). Guardandolo si vede che tempi diversi erano – Giovanni Martini All’Università della California, a Santa Barbara, ha ricevuto elogi per il suo lavoro su una serie di soli nove qubit e proprio la settimana scorsa gli è stato assegnato il Premio Nobel per la fisica. Nel frattempo, i computer quantistici costituiti da atomi neutri, che hanno preso d’assalto il campo negli ultimi anni, non vengono nemmeno menzionati. Ciò mi ha portato a chiedermi: come sarebbe oggi una guida all’acquisto di un computer quantistico?

Attualmente ci sono circa 80 aziende in tutto il mondo che producono hardware per il calcolo quantistico. Poiché mi occupo di informatica quantistica, ho avuto la possibilità di vederne lo sviluppo come settore da vicino e di ascoltare molte proposte di vendita. Se pensi che decidere tra un iPhone e un telefono Android sia difficile, prova ad unirti alla lista stampa di dozzine di start-up di informatica quantistica.

Certamente, con il marketing arriva molta pubblicità, ma parte della difficoltà nel confrontare questi dispositivi e approcci deriva dal fatto che attualmente non esiste consenso sul modo migliore per costruire un computer quantistico. Ad esempio, puoi optare per qubit costituiti da circuiti superconduttori, ioni ultrafreddi, luce o molte altre opzioni. Come si misurano le differenze tra queste macchine quando hanno parti fondamentalmente diverse? Ciò aiuta a focalizzare le prestazioni di ciascun computer quantistico.

Si tratta di un cambiamento notevole rispetto agli albori dell’informatica quantistica, in cui il campione tra questi nuovi dispositivi era determinato dal numero di qubit – gli elementi costitutivi più basilari dell’elaborazione delle informazioni quantistiche – posseduto da una macchina. Diversi gruppi di ricerca hanno ormai infranto la barriera dei 1000 qubit e il percorso verso un numero maggiore di qubit sembra aprirsi ogni giorno. I ricercatori stanno ora lavorando su come sfruttare le tecniche di produzione standard, come la realizzazione di qubit in silicio e persino l’utilizzo dell’intelligenza artificiale per rendere i loro computer quantistici più grandi e più potenti.

In un mondo ideale, più qubit significherebbero sempre più potenza di calcolo perché consentirebbero ai computer quantistici di affrontare problemi più complessi. Nel nostro mondo reale, garantire che ogni nuovo qubit aggiunto non degradi le prestazioni dei qubit già esistenti si è rivelato un’enorme sfida tecnica. Quindi, non è solo il numero di qubit che hai, ma anche quanto bene possono contenere informazioni e quanto bene possono “parlare” tra loro senza distorcere tali informazioni. Un computer quantistico può contenere milioni di qubit ed essere sostanzialmente inutile se tali qubit sono soggetti a perturbazioni che producono errori nei calcoli.

Questo disturbo – o rumore – può essere quantificato in parametri come “gate fidelity”, che cattura la precisione con cui puoi far sì che un qubit o una coppia di qubit facciano qualcosa, e “coherence time”, che mette un numero su quanto tempo un qubit può rimanere in uno stato quantico che ti è utile. Ma queste soluzioni ci portano nel nocciolo della questione dell’hardware del calcolo quantistico. La cosa fastidiosa è che anche se questi parametri sono ottimi, devi comunque preoccuparti di quanto potrebbe essere difficile inserire i dati nel tuo computer quantistico e avviare i calcoli, e anche se potresti avere problemi quando provi a leggere i risultati finali.

Parte della notevole crescita del settore dell’informatica quantistica è dovuta all’ascesa di aziende specializzate nel controllo dei qubit e in altre parti dei computer quantistici, che si occupano della complessa interfaccia tra gli interni quantistici di questi dispositivi e i loro utenti non quantistici. Una vera guida all’acquisto di computer quantistici per il 2025 dovrebbe includere tutti questi componenti aggiuntivi. Devi scegliere i tuoi qubit, ma anche scegliere un sistema di controllo dei qubit e qualche meccanismo per correggere gli errori in quei qubit. Ho avuto la possibilità di parlare con ricercatori che stanno sviluppando un sistema operativo per computer quantistici, quindi anche questo potrebbe diventare parte della tua lista della spesa tra qualche anno.

Se dovessi stilare una lista dei desideri a breve termine, punterei su una macchina in grado di eseguire almeno un milione di operazioni – più o meno, un programma di calcolo quantistico con milioni di passaggi – con un tasso di errore molto basso e la massima correzione degli errori incorporata possibile. Giovanni Preskill Al California Institute of Technology si chiama macchina “MegaQuap”. L’anno scorso mi disse che credeva che una macchina del genere sarebbe stata tollerante ai guasti, o a prova di errore, e abbastanza potente da fare scoperte scientificamente significative. Ma non siamo ancora arrivati ​​a questo punto. I computer quantistici di cui disponiamo oggi eseguono migliaia di operazioni e hanno dimostrato la correzione degli errori solo per compiti relativamente piccoli.

In un certo senso, i computer quantistici di oggi sono nella loro adolescenza, stanno maturando verso l’utilità ma stanno ancora attraversando difficoltà di crescita. Per questo motivo, sento spesso nella mia casella di posta questa domanda da parte dei trader di computer quantistici: “Cosa può fare effettivamente questa macchina?”

È qui che dobbiamo non solo confrontare diversi tipi di computer quantistici, ma anche confrontarli con le loro controparti convenzionali. L’hardware quantistico è costoso e difficile da costruire, quindi quando sarà davvero l’unica opzione praticabile per risolvere un problema?

Un modo per rispondere a questa domanda è provare a identificare i calcoli che i computer tradizionali non potrebbero completare a meno che non abbiano un tempo illimitato. Colloquialmente, questo è noto come “supremazia quantistica”, e tiene svegli la notte i matematici e i teorici della complessità, e ruba anche il sonno agli ingegneri quantistici. Esistono esempi di supremazia quantistica, ma sono preoccupanti. Per essere utili, devono essere pratici – bisogna essere in grado di costruire una macchina in grado di eseguirli – e devono essere dimostrati in modo tale da poter essere sicuri che un matematico intelligente non possa convincere un computer convenzionale a eseguirli.

1994), fisico Pietro Riva È stato sviluppato un algoritmo di calcolo quantistico per la fattorizzazione di grandi numeri che può essere utilizzato per violare facilmente i metodi di crittografia più comuni attualmente utilizzati, ad esempio, dalle banche di tutto il mondo. Un grande computer quantistico che corregge i propri errori potrebbe praticamente eseguire questo algoritmo, ma i matematici non sono ancora riusciti a dimostrare in modo convincente che i computer classici non potrebbero mai fattorizzare grandi numeri in modo così efficiente. Anche le affermazioni più importanti sulla supremazia quantistica rientrano in questa categoria – e alcune di esse alla fine si sono rivelate migliori grazie alle macchine classiche. Anche le dimostrazioni di supremazia quantistica ancora in corso non sembrano essere ancora utili e sono progettate principalmente per dimostrare la quanticità dei computer che le eseguono.

Sul lato opposto dello spettro ci sono problemi nell’area matematica della “complessità delle query”, dove la supremazia dell’approccio quantistico può essere rigorosamente dimostrata, ma non esistono algoritmi corrispondenti che sarebbero pratici da implementare o fare qualcosa di evidentemente utile. Un recente esperimento ha anche introdotto l’idea della “supremazia dell’informazione quantistica”, in cui un computer quantistico risolve un compito utilizzando meno bit rispetto al numero di bit necessari per risolvere lo stesso problema su un computer classico. In questo caso, la risorsa di cui il computer quantistico aveva meno bisogno non era il tempo ma il numero di elementi fisici. Ciò può sembrare promettente perché implica che un computer quantistico può fare qualcosa senza doverlo prima diventare molto grande, ma non ti consiglierei di acquistarlo per una semplice ragione: il lavoro in questione non aveva alcun utilizzo evidente nel mondo reale.

Certamente, ci sono problemi del mondo reale che sembrano essere una buona soluzione per gli algoritmi dei computer quantistici, come la determinazione delle proprietà di molecole importanti in agricoltura e medicina, o la risoluzione di problemi logistici come la programmazione dei voli. Ma devo dire “apparentemente” perché la verità è che i ricercatori non hanno ancora tutti i dettagli.

Ad esempio, nel studio recente Sul potenziale utilizzo del calcolo quantistico per la genomica, Aurora Maurizio presso l’Istituto Scientifico San Raffaele in Italia e Guglielmo Mazzola L’Università di Zurigo in Svizzera ha scritto che i metodi informatici tradizionali sono così validi che “il calcolo quantistico potrebbe fornire velocità solo per un sottoinsieme specifico di compiti difficili nel prossimo futuro”. Il messaggio del loro studio è che anche se a prima vista i problemi combinatori della genomica sembrano un’area in cui un computer quantistico potrebbe accelerare il lavoro, uno sguardo più attento mostra che il loro utilizzo deve essere molto mirato e attento.

La verità è che per molti problemi che non sono specificamente progettati per dimostrare la supremazia quantistica, anche se i computer quantistici possono rimuovere il rumore e tutti gli altri problemi tecnici ed eseguire algoritmi più velocemente dei computer classici, c’è uno spettro su cosa significhi “veloce”. Poiché questo non significa sempre più veloce, il risparmio di tempo che un computer quantistico può ottenere non sempre bilancia perfettamente i costi dell’hardware. Ad esempio, informatico amore GroverL’algoritmo di ricerca di, che è il secondo algoritmo di calcolo quantistico più famoso dopo quello di Shor, fornisce solo un’accelerazione quadratica: riduce il tempo di esecuzione del calcolo di una radice quadrata anziché esponenziale. In definitiva, la velocità sufficiente per giustificare il passaggio al mondo quantistico può dipendere da ogni singolo acquirente di computer quantistici.

E lo so, lo so, è una riga deludente da includere in una cosiddetta guida all’acquisto, ma se ho imparato qualcosa sui computer quantistici parlando con gli esperti, è che non sappiamo molto più di quanto sappiamo con certezza su cosa possono fare i computer quantistici. I computer quantistici sono una tecnologia costosa e complessa del futuro e facciamo fatica a capire dove potrebbero aggiungere valore alle nostre vite piuttosto che semplicemente aggiungere valore agli azionisti di alcune aziende. Per quanto insoddisfacente sia questo, credo che sia un indicatore di quanto siano realmente diversi e innovativi i computer quantistici; Ecco quanti sono realmente i pionieri dell’informatica.

Ma se stai leggendo questo perché hai una bella paghetta da spendere per un computer quantistico quanto più grande e affidabile possibile, allora prendilo e lascia che i tuoi hobbisti locali di algoritmi quantistici ci giochino. Tra qualche anno probabilmente potranno darti consigli migliori.