Cos'è una QPU (quantum processing unit)?

Poiché contengono la parte quantistica dei computer quantistici, le QPU possono essere utilizzate per contribuire a risolvere problemi complessi che l'umanità si trova ad affrontare, con un potenziale impatto sul cambiamento climatico, lo sviluppo di nuovi farmaci e l'intelligenza artificiale (AI).

Allo stesso modo in cui un'unità di elaborazione centrale (CPU) può essere pensata come "il cervello del computer" nell'informatica classica, l'unità di elaborazione quantistica funziona come "il cervello" dei sistemi di quantum computing. Così come una CPU è più di un semplice chip e include diversi altri componenti, anche una QPU contiene qubit computazionali fisici, così come l'elettronica di controllo e l'hardware di calcolo classico utilizzati per tenere le istruzioni in memoria, amplificare e gestire i segnali di input e output e separare i segnali dal rumore. 

La QPU è il componente principale di qualsiasi computer quantistico e il chip quantistico è il componente principale di una QPU. Per IBM, il chip quantum è un semiconduttore multistrato, inciso con componenti superconduttori. Questi componenti sono i qubit fisici usati per eseguire calcoli quantistici. Questi chip sono ulteriormente suddivisi in più livelli con qubit, risonatori di lettura e più strati di cablaggio per input e output. 

Le QPU contengono un chip quantum di dimensioni simili a quelle di un normale chip informatico, noto anche come piano dati quantum, composto da qubit fisici disposti in varie configurazioni e dalle strutture che li mantengono in posizione. Il chip viene mantenuto a temperature fredde prossime allo zero assoluto in un frigorifero a diluizione.

Le QPU includono anche l'elettronica di controllo e l'hardware di calcolo classico necessari per l'input e l'output. Alcuni di questi componenti si trovano all'interno dei frigoriferi a diluizione, mentre altri componenti si trovano in una griglia a temperatura ambiente accanto al frigorifero di diluizione.

Le QPU sono univoche tra le unità di elaborazione dei computer. A differenza delle CPU, i processori quantum utilizzano al meglio la fisica quantum per memorizzare e processare i dati in modo diverso. Le CPU classiche utilizzano bit binari per memorizzare i dati come 0 o 1.

Le qubit possono memorizzare informazioni binarie in zero e uno, ma possono anche contenere una sovrapposizione, il che significa che memorizzano una combinazione speciale di 0 e 1. Le QPU utilizzano al meglio anche diversi altri principi quantum chiave che consentono loro di elaborare le informazioni in modi che i computer classici faticano a replicare.

Poiché rappresentano un progresso generazionale nell'informatica, le QPU sono progettate per elaborare algoritmi quantistici anche meglio dei supercomputer più potenti. Ottimizzate per calcoli quantum su larga scala, le QPU non sono destinate a sostituire le CPU. Invece, le QPU vengono integrate nei sistemi di calcolo ad alte prestazioni (HPC) insieme a CPU e unità di elaborazione grafica (GPU). 

In un supercomputer quantistico ogni tipo di processore funziona in modo diverso e viene utilizzato per elaborare diversi tipi di calcoli con l'ecosistema:

• CPU: le unità di elaborazione centrale (CPU) elaborano gli input in sequenza, eseguono attività in modo lineare e sono più adatte per operazioni di controllo di alto livello, come la gestione dei dati tra diversi componenti di sistema.

• GPU: le unità di elaborazione grafica (GPU) eccellono nell'elaborazione parallela di grandi quantità di operazioni contemporaneamente. Le GPU possono essere potenzialmente utilizzate nei sistemi quantistici per scaricare una parte del workload di elaborazione dalle QPU.

• NPU: le unità di elaborazione neurale (NPU) imitano la funzione del cervello umano e sono in genere utilizzate per attività complesse che coinvolgono i tipi specifici di calcolo utilizzati nel machine learning (ML) e nell'intelligenza artificiale (AI).

• QPU: le quantum processing unit (QPU) processano le informazioni utilizzando qubit anziché bit binari e sono progettate per eseguire algoritmi quantistici complessi. Le QPU sono utilizzate al meglio per determinati tipi di problemi molto complicati e molti dei promettenti algoritmi quantistici attuali forniscono soluzioni probabilistiche anziché risposte precise.

Considerati solo teorici nel XX secolo, i recenti progressi nelle tecnologie quantistiche hanno portato a un'impennata nello sviluppo delle QPU. IBM sta attualmente spingendo i confini dell'informatica per sviluppare QPU utilizzabili e in grado di ottenere un vantaggio quantistico, ovvero la capacità di superare tutti i metodi classici di supercalcolo per risolvere un determinato problema. Gli sviluppatori di IBM sono all'avanguardia e forniscono già QPU e hardware quantistico con utility quantistiche, ovvero la capacità di fornire output affidabili e precisi a circuiti quantistici oltre la portata delle simulazioni classiche a forza bruta. 

Il quantum computing è una tecnologia emergente che utilizza la potenza del quantum per risolvere problemi troppo complessi anche per i supercomputer più potenti. Attività come la fattorizzazione di grandi numeri primi, che potrebbero richiedere centinaia di migliaia di anni a un computer classico, possono teoricamente essere eseguiti in pochi minuti con un computer quantistico sufficientemente potente. 

I computer quantistici elaborano le informazioni in modo diverso rispetto ai computer classici. A differenza dei computer classici che devono calcolare ogni fase di un calcolo complicato con le regole della logica, i circuiti quantistici costituiti da qubit possono elaborare molte voci di set di dati contemporaneamente con operazioni quantistiche, offrendo un nuovo modo per affrontare determinati problemi e potenzialmente migliorando l'efficienza di molti ordini di grandezza. 

Computing classico: 

• Utilizzato da computer e dispositivi comuni e multiuso
• Memorizza le informazioni in bit con un numero discreto di stati possibili, 0 o 1
• Elabora i dati in modo logico e sequenziale

Quantum computing:

• Utilizzato da hardware specializzato, sperimentale e basato sulla meccanica quantistica
• Elabora le informazioni in qubit come 0, 1 o una sovrapposizione di 0 e 1
• Elabora i dati con logica quantistica in istanze parallele, basandosi su entanglement e interferenze

I processori quantistici non eseguono le equazioni matematiche allo stesso modo dei computer classici. A differenza dei computer classici, che devono calcolare ogni fase di un calcolo complicato con le regole della logica, i circuiti quantistici realizzati con qubit elaborano molte voci di set di dati contemporaneamente alle operazioni quantistiche, fornendo un nuovo modo per affrontare determinati problemi e potenzialmente migliorando l'efficienza di molti ordini di grandezza.

Mentre i computer tradizionali utilizzano transistor per memorizzare ed elaborare dati in codice binario, le QPU utilizzano i qubit. Le QPU IBM utilizzano qubit superconduttori a stato solido per codificare i dati come 0, 1 o una sovrapposizione di 0 e 1. All'aumentare del numero di qubit, ogni possibile combinazione di tutti i valori dei qubit può anche essere mantenuta in sovrapposizione. In queste posizioni, alcuni qubit potrebbero "aggrovigliarsi" (entanglement), nel qual caso i loro valori diventano dipendenti da altri e non si può più ritenere che si comportino in modo indipendente. La misurazione di un qubit di questo tipo fornisce istantaneamente informazioni sullo stato dell'altro. L'entanglement è uno strumento prezioso per l'esecuzione degli algoritmi quantistici.

Al termine di un calcolo quantistico, i dati vengono convertiti dalla QPU e dall'hardware di supporto in binario e su ogni qubit verrà misurato uno 0 o un 1 con una probabilità corrispondente al suo contributo alla sovrapposizione. 

Le tecnologie quantistiche possono utilizzare particelle reali note come qubit o hardware molecolari che imitano il comportamento delle particelle (come i qubit superconduttori) per eseguire calcoli in modi che i bit binari non possono fare, grazie a quattro principi chiave che si trovano solo nei sistemi quantistici. 

1. Sovrapposizione: la sovrapposizione è lo stato in cui una particella o un sistema quantistico possono rappresentare non solo un valore, ma una combinazione di più valori possibili. 
2. Entanglement: l'entanglement è il processo in cui due particelle quantum vengono correlate più fortemente di quanto consenta la normale probabilità.
3. Decoerenza: la decoerenza è il processo in cui le particelle e i sistemi quantistici possono decadere, collassare o cambiare, convertendosi in singoli stati misurabili dalla fisica classica.  
4. Interferenza: l'interferenza è il fenomeno in cui gli stati quantistici entangled possono interagire e produrre probabilità più e meno veritiere.

In genere, i qubit vengono creati manipolando e misurando le particelle quantistiche (i più piccoli elementi costitutivi conosciuti nell'universo fisico, come fotoni, elettroni, ioni e atomi intrappolati) o progettando sistemi che imitano queste particelle.

• Qubit superconduttori: realizzati con materiali superconduttori che funzionano a temperature estremamente basse, questi qubit sono apprezzati per la loro velocità nell'esecuzione dei calcoli e per il loro controllo dettagliato. 

• Qubit ionici intrappolati: gli ioni intrappolati possono essere usati anche come qubit e sono noti per i lunghi tempi di coerenza e le misurazioni ad alta fedeltà. Gli ioni sono atomi con carica elettrica.

• Punti quantici: i punti quantici sono piccoli semiconduttori che catturano un singolo elettrone e lo utilizzano come qubit, offrendo un potenziale promettente di scalabilità e compatibilità con la tecnologia dei semiconduttori esistente. 

• Fotoni: i fotoni sono singole particelle di luce utilizzate per inviare informazioni quantistiche su lunghe distanze tramite cavi in fibra ottica e vengono utilizzati nella comunicazione quantistica e nella crittografia quantistica. 

• Atomi neutri: gli atomi neutri comuni caricati con laser sono adatti per la scalabilità e l'esecuzione delle operazioni.

Alcuni tipi di qubit sono più adatti per determinate attività, anche se tutti i qubit noti sono ancora altamente sensibili. Le QPU utilizzate nei computer quantistici funzionali richiedono hardware e software di supporto significativi per mantenere una calibrazione corretta e gestire il rumore esterno. Le soluzioni software come lo stack software Qiskit di IBM includono strumenti utilizzati per orchestrare su hardware quantistico e classico ed eseguire la necessaria gestione degli errori quantistici, al fine di aiutare a eliminare le letture imprecise attraverso l'automazione.

Sebbene il chip all'interno di una QPU abbia all'incirca le stesse dimensioni dei chip di una tipica CPU o GPU, i sistemi di calcolo quantistico potrebbero essere grandi quanto una berlina a quattro porte. Questo ingombro extra è dovuto principalmente a sistemi criogenici e frigoriferi che devono raffreddare i qubit a temperature più fredde dello spazio esterno al fine di mantenere la coerenza. Include anche altri componenti classici utilizzati per inviare e applicare istruzioni e restituire output, che possono essere memorizzati a temperatura ambiente.  

I computer quantistici alimentati da QPU eccellono nella risoluzione di alcuni problemi complessi, con il potenziale di accelerare l'elaborazione di set di dati su larga scala. Dallo sviluppo di nuovi farmaci all'esecuzione del machine learning (ML) in un modo nuovo, fino all'ottimizzazione della supply chain e alla modellazione di serie temporali su dati climatici complessi, il quantum computing potrebbe essere la chiave per le scoperte in molti settori d'importanza critica.

Le QPU saranno utilizzate anche nel supercalcolo quantistico per risolvere i problemi più complicati e impegnativi che l'umanità deve attualmente affrontare nei seguenti campi:

• Prodotti farmaceutici: i computer quantistici in grado di simulare il comportamento molecolare e le reazioni biochimiche possono accelerare enormemente la ricerca e lo sviluppo di nuovi farmaci e trattamenti medici salvavita. 

• Chimica: per gli stessi motivi per cui i computer quantistici possono influire sulla ricerca medica, potrebbero anche fornire soluzioni finora sconosciute per ridurre i sottoprodotti chimici pericolosi o distruttivi. Il quantum computing potrebbe creare catalizzatori migliori che consentano di avere alternative petrolchimiche o processi migliori per la decomposizione del carbonio, necessari per combattere le emissioni pericolose per il clima. 

• Intelligenza artificiale e machine learning: con l'aumento dell'interesse e degli investimenti nell'AI e in campi correlati come il machine learning, i ricercatori stanno spingendo i modelli AI a nuovi estremi, mettendo alla prova i limiti dell'hardware esistente e richiedendo un enorme consumo di energia. È stato dimostrato che alcuni algoritmi quantistici potrebbero essere in grado di esaminare i set di dati in un modo nuovo, accelerando alcuni problemi di machine learning.

• Scienza dei materiali: molti problemi della scienza dei materiali sono intrinsecamente quantistici e le accelerazioni quantistiche in questo campo possono potenzialmente aiutare aree dalla nostra comprensione fondamentale della materia nell'ambito di problemi industriali a livello di stoccaggio dell'energia, energia solare e molto altro.

• Ottimizzazione: l'ottimizzazione efficiente delle risorse offre valore per qualsiasi settore; tuttavia, via via che la logistica diventa sempre più complicata, l'ottimizzazione diventa ancora più difficile. I computer quantistici non esplorano tutte le soluzioni in parallelo, almeno non in un modo utile per l'ottimizzazione. Tuttavia, questo non significa che non possano fornire nuove soluzioni migliori rispetto ai modelli esistenti. Stanno emergendo nuove ricerche che dimostrano come e dove il quantum potrebbe fornire valore per l'ottimizzazione, e con quali tempistiche. Di fatto, sappiamo già che alcuni algoritmi di approssimazione quantistica funzionano in modo efficiente, in tempo polinomiale, e forniscono una soluzione che è ottimale all'80%.