Il quantum computing (o calcolo quantistico) è una tecnologia emergente che sfrutta le leggi della meccanica quantistica per risolvere problemi troppo complessi per i computer classici.
Oggi, IBM Quantum trasforma in realtà l'hardware quantistico - uno strumento che gli scienziati hanno solo immaginato tre decenni fa - e lo rende uno strumento disponibile per centinaia migliaia di sviluppatori. I nostri ingegneri realizzano processori quantistici superconduttori sempre più potenti a intervalli regolari, insieme a progressi decisivi nell'orchestrazione di software e in quella di tipo quantistico-classico. Questo lavoro spinge verso la velocità e capacità del quantum computing necessarie per cambiare il mondo.
Queste macchine sono molto diverse dai computer classici che conosciamo da più di mezzo secolo. Ecco un'introduzione a questa tecnologia innovativa.
Per alcuni problemi, i supercomputer non sono così super.
Quando gli scienziati e gli ingegneri si trovano di fronte a problemi difficili, si rivolgono ai supercomputer. Si tratta di computer classici molto grandi, spesso con migliaia di core CPU e GPU classici. Tuttavia, anche I supercomputer hanno difficoltà a risolvere certi tipi di problemi.
Se un supercomputer si blocca, è probabilmente perché alla grande macchina classica è stato chiesto di risolvere un
problema con un grado di complessità troppo elevato. Quando i computer classici falliscono, è spesso dovuto alla complessità
I problemi complessi sono problemi con molte variabili che interagiscono in modi complicati. Modellare il comportamento
dei singoli atomi in una molecola è un problema complesso, a causa dei diversi elettroni che interagiscono
tra loro. Anche stabilire le rotte ideali per alcune centinaia di petroliere in una rete di trasporto globale
è complesso.
Diamo uno sguardo a un esempio che mostra come i computer quantistici possono avere successo lì dove i computer classici invece falliscono:
Un supercomputer potrebbe eccellere in compiti difficili come mettere in ordine un grosso database di sequenze proteiche, ma farà fatica a scorgere in quei dati i raffinati modelli che determinano il comportamento di quelle proteine.
Le proteine sono delle lunghe stringhe di amminoacidi che, quando si ripiegano in forme complesse, diventano delle preziose macchine biologiche. Capire come si formano le proteine è un problema con importanti implicazioni per la biologia e la medicina.
Un supercomputer classico potrebbe cercare di ripiegare una proteina con la forza bruta, sfruttando i suoi numerosi processori per testare ogni possibile modo di ripiegare la catena chimica prima di arrivare a una risposta. Man mano che le sequenze di proteine diventano più lunghe e complesse, il supercomputer va in stallo. Teoricamente, una catena di 100 aminoacidi potrebbe ripiegarsi in uno qualsiasi di molti bilioni di modi. Nessun computer ha la memoria di lavoro necessaria per poter considerare tutte le possibili combinazioni di singole ripiegature.
Gli algoritmi quantistici adottano un nuovo approccio a questi tipi di problemi complessi, creando degli spazi multidimensionali in cui emergono i modelli che collegano i singoli punti di dati. Nel caso del ripiegamento delle proteine, questo modello potrebbe essere la combinazione di ripiegamenti che richiedono meno energia per essere prodotti. Quella combinazione di ripiegamenti è la soluzione del problema.
I computer classici non possono creare questi spazi computazionali, quindi non possono trovare questi modelli. Nel caso delle proteine, ci sono già i primi algoritmi quantistici che riescono a trovare modelli di ripiegamento in modi completamente nuovi e più efficienti, senza le laboriose procedure di test dei computer classici. Man mano che l'hardware quantistico viene ridimensionato e questi algoritmi progrediscono, potrebbero affrontare problemi di ripiegamento delle proteine troppo complessi per qualsiasi supercomputer.
I computer quantistici sono macchine eleganti, più piccole e che richiedono meno energia dei supercomputer. Un processore IBM Quantum è un wafer non molto più grande di quello che si trova in un computer portatile. E un sistema hardware quantum ha più o meno le dimensioni di un'automobile, costituito per lo più da sistemi di raffreddamento che servono a mantenere il processore superconduttore alla bassissima temperatura operativa necessaria per il suo funzionamento.
Un processore classico utilizza i bit per eseguire le sue operazioni. Un computer quantistico utilizza qubit (CUE-bit) per eseguire algoritmi quantistici multidimensionali.
Superfluidi
Il tuo computer desktop probabilmente usa una ventola per restare abbastanza freddo da funzionare. I nostri processori quantistici devono essere molto freddi - circa un centesimo di grado sopra lo zero assoluto. Per ottenere questo, usiamo superfluidi super-raffreddati per creare dei superconduttori.
Superconduttori
A quelle temperature estremamente basse, certi materiali nei nostri processori mostrano un altro importante effetto della meccanica quantistica: gli elettroni si muovono attraverso di essi senza resistenza. Questo li rende "superconduttori".
Quando gli elettroni attraversano i superconduttori si legano tra loro, formando "coppie di Cooper". Queste coppie possono trasportare una carica attraverso delle barriere, o isolanti, grazie ad un processo conosciuto come effetto tunnel quantistico. Due superconduttori posti ai lati di un isolante formano una giunzione Josephson
Controllo
I nostri computer quantistici usano delle giunzioni Josephson come qubit superconduttori. Sparando fotoni a microonde su questi qubit, possiamo controllare il loro comportamento e far sì che contengano, modifichino e leggano singole unità di informazione quantistica.
Sovrapposizione
Un qubit in sé non è molto utile. Ma può svolgere un compito importante: mettere l'informazione quantistica che contiene in uno stato di sovrapposizione, che rappresenta una combinazione di tutte le possibili configurazioni del qubit. Dei gruppi di qubit sovrapposti possono creare spazi computazionali complessi e multidimensionali. In questi spazi possono essere rappresentati dei problemi complessi in modi nuovi.
Entanglement
L'entanglement è un fenomeno della meccanica quantistica che mette in relazione il comportamento di due cose distinte. Quando due qubit sono in uno stato di entanglement, i cambiamenti di un qubit hanno un impatto diretto sull'altro. Gli algoritmi quantistici sfruttano queste relazioni per trovare soluzioni a problemi complessi
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