Calcolo quantistico per i curiosi del qubit

Cos’è il calcolo quantistico? I computer normali funzionano secondo rigide regole di logica. Ma minuscoli oggetti quantistici – come gli elettroni o i fotoni di luce – possono infrangere queste regole

L’informatica quantistica è l’idea che possiamo usare questa violazione delle regole quantistiche per elaborare le informazioni in un modo nuovo, totalmente diverso da come funzionano i computer normali. Questo li rende, in alcuni casi, esponenzialmente più veloci di qualsiasi computer normale.

Per esempio, un computer quantistico potrebbe facilmente decifrare i codici che mantengono sicuro l’internet banking.

Quindi, come un supercomputer?

Non esattamente. Un computer quantistico non è solo un computer “più veloce”. Ci sono alcuni compiti specifici – come la fattorizzazione di numeri molto grandi – in cui un computer quantistico sarebbe sorprendente. (Ma per la maggior parte dei lavori, un computer quantistico sarebbe poco meglio di un computer normale.

A che cosa potrebbe servire un computer quantistico?

Saranno probabilmente più utili per le agenzie governative, le compagnie di ricerca e sviluppo e le università per risolvere i problemi con cui i computer attuali hanno difficoltà.

La prima idea pratica, proposta dal fisico Richard Feynman nel 1981, era di usare un computer quantistico per simulare la meccanica quantistica. Questo avrebbe avuto un impatto sulla chimica e la biologia. I chimici, per esempio, potrebbero modellare accuratamente le interazioni tra farmaci e i biologi potrebbero studiare tutti i possibili modi in cui le proteine possono piegarsi e interagire tra loro.

Mentre i computer quantistici erano una volta una curiosità accademica, l’interesse è esploso nel 1994 quando il matematico americano Peter Shor ha trovato un modo per usare i computer quantistici per rompere i codici.

Oggi, molti sistemi di sicurezza online funzionano sul principio che è quasi impossibile prendere un numero molto grande e capire quali sono i suoi fattori primi. Tutto ciò che un computer normale può fare è provare ogni possibilità una dopo l’altra – un compito che potrebbe richiedere miliardi di anni. Usando l’algoritmo di Shor, un computer quantistico potrebbe eseguire il compito in poche ore.

I computer quantistici potrebbero anche essere fantastici nel riconoscere modelli nei dati – utili per problemi di apprendimento automatico, come essere in grado di identificare diversi oggetti in un’immagine. Potrebbero essere ottimi nella costruzione di modelli per prevedere il futuro, come nelle previsioni meteorologiche a lungo termine.

Ma in definitiva, gli usi del calcolo quantistico sono imprevedibili. Considerate che nel 1943, Thomas Watson, il presidente dell’IBM disse: “Penso che ci sia un mercato mondiale per forse cinque computer”. Ora ce ne sono cinque in ogni casa.

Se i precedenti sono una guida, dobbiamo ancora immaginare quali saranno gli usi dei computer quantistici.

Come funziona l’informatica quantistica?

I computer normali si basano sui “bit” – immaginateli come piccoli interruttori che puntano a un 1 o a uno 0.

Il calcolo quantistico si basa su bit quantistici, o “qubit”, che possono anche rappresentare uno 0 o un 1. La cosa folle è che i qubit possono anche raggiungere uno stato misto, chiamato “superposizione”, dove sono sia 1 che 0 allo stesso tempo. Questa ambiguità – la capacità di “essere” e “non essere” – è la chiave del potere dell’informatica quantistica.

Come aiuta la superposizione?

La differenza tra i computer normali e i computer quantistici si riduce al modo in cui affrontano un problema.

Un computer normale cerca di risolvere un problema nello stesso modo in cui si potrebbe cercare di uscire da un labirinto – provando ogni possibile corridoio, tornando indietro nei vicoli ciechi, fino a quando alla fine si trova la via d’uscita. Ma la sovrapposizione permette al computer quantistico di provare tutti i percorsi in una volta sola – in sostanza, trovando la scorciatoia.

Due bit nel tuo computer possono essere in quattro stati possibili (00, 01, 10 o 11), ma solo uno di essi in qualsiasi momento. Questo limita il computer ad elaborare un input alla volta (come provare un corridoio nel labirinto).

In un computer quantistico, due qubit possono anche rappresentare esattamente gli stessi quattro stati (00, 01, 10 o 11). La differenza è che, a causa della sovrapposizione, i qubit possono rappresentare tutti e quattro allo stesso tempo. È un po’ come avere quattro computer normali che funzionano fianco a fianco.

Se si aggiungono più bit a un computer normale, esso può ancora gestire solo uno stato alla volta. Ma man mano che si aggiungono qubit, la potenza del computer quantistico cresce esponenzialmente. Per i matematici, possiamo dire che se hai “n” qubit, puoi rappresentare simultaneamente 2n stati.)

È come quella vecchia favola di un antico indiano, chiamato Sessa, che inventò il gioco degli scacchi. Il re era entusiasta del gioco e chiese a Sessa di nominare la sua ricompensa. Sessa chiese umilmente una sola scacchiera con un chicco di grano sulla prima casella, due sulla seconda, quattro sulla terza e così via. Il re accettò subito, senza rendersi conto che aveva promesso più grano di quanto ne esistesse sulla Terra. Questo è il potere della crescita esponenziale.

Come ogni quadrato raddoppiava il grano di Sessa, ogni qubit aggiuntivo raddoppia la potenza di elaborazione. Tre qubit ne danno 23, cioè otto stati contemporaneamente; quattro qubit ne danno 24, cioè 16. E 64 qubit? Te ne danno 264, cioè 18.446.744.073.709.600.000 possibilità! È circa un milione di terabyte di valore.

Mentre 64 bit regolari possono anche rappresentare questo enorme numero (264) di stati, possono rappresentarne solo uno alla volta. Per ciclare attraverso tutte queste combinazioni, a due miliardi al secondo (che è una velocità tipica per un PC moderno), ci vorrebbero circa 400 anni.

Tutto questo significa che i computer quantistici potrebbero affrontare problemi che sono “praticamente impossibili” per i computer classici.

Ma per ottenere questa accelerazione esponenziale, il destino di tutti i qubit deve essere collegato insieme in un processo chiamato entanglement quantistico. Questo strano fenomeno, che Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”, può collegare particelle quantistiche anche se si trovano agli estremi opposti dell’universo.

Cosa fa un qubit?

Per fare un qubit, serve un oggetto che possa raggiungere uno stato di sovrapposizione quantistica tra due stati.

Un nucleo atomico è un tipo di qubit. La direzione del suo momento magnetico (il suo “spin”) può puntare in diverse direzioni, ad esempio verso l’alto o verso il basso rispetto a un campo magnetico.

La sfida sta nel collocare e poi indirizzare quel singolo atomo.

Un team australiano guidato da Michelle Simmons all’Università del Nuovo Galles del Sud, ha realizzato qubit atomici collocando un singolo atomo di fosforo in una posizione nota all’interno di un cristallo di silicio.

Un’altra idea è di togliere un elettrone all’atomo e trasformarlo in uno ione. Poi si possono usare campi elettromagnetici per sospendere lo ione nello spazio libero, sparandogli dei laser per cambiarne lo stato. In questo modo si ottiene un computer quantistico a “ioni intrappolati”.

Anche una corrente in un anello di metallo superconduttore può essere in una sovrapposizione (tra senso orario e antiorario), un po’ come un piccolo tapis roulant che va avanti e indietro allo stesso tempo.

Un fotone di luce può essere in sovrapposizione nella direzione in cui si muove. Alcuni gruppi hanno assemblato circuiti quantistici inviando fotoni in un labirinto di fibre ottiche e specchi.

Come si crea la sovrapposizione?

Hai mai provato a bilanciare una moneta esattamente sul suo bordo? Ecco com’è la programmazione di un qubit. Si tratta di fare qualcosa a un qubit in modo che, in un certo senso, finisca “bilanciato” tra gli stati.

Nel caso del nucleo atomico, questo potrebbe avvenire attraverso lo zapping con un campo elettrico o magnetico, lasciandolo con un’uguale probabilità di girare in un modo o nell’altro.

Come si leggono le informazioni dai qubit?

C’è un’aura mistica su ciò che accade durante una computazione quantistica. I fisici più estrosi descrivono i qubit come impegnati in una sorta di seduta spiritica quantistica con mondi paralleli per divorare la risposta.

Ma non è magia, è solo meccanica quantistica.

Supponiamo che abbiate il vostro nuovo computer quantistico a 64 qubit pronto e funzionante per la sua prima computazione. Mettete tutti i 64 qubit in superposizione, proprio come 64 monete tutte bilanciate sul bordo. Insieme, tengono 264 possibili stati nel limbo. Sai che uno di questi stati rappresenta la risposta giusta. Ma quale?

Il problema è che la lettura dei qubit fa collassare la sovrapposizione – come sbattere il pugno sul tavolo con tutte quelle monete bilanciate.

Ecco dove un algoritmo quantistico come quello di Shor torna utile. Carica i qubit per rendere più probabile la loro caduta sul lato corretto, e darci la risposta giusta.

Sono già stati costruiti dei computer quantistici?

A quanto pare sì, anche se nessuno di essi può ancora fare qualcosa che superi i computer convenzionali.

Gli ultimi tre anni hanno visto progressi drammatici nel calcolo quantistico. Mentre nel 2016 la rivista Nature celebrava un computer a nove qubit sviluppato dai ricercatori di Google. Diciotto mesi dopo, nel dicembre 2017, IBM riportava il loro computer quantistico a 50 qubit. Entro quattro mesi, Google aveva fatto un altro passo avanti, con il loro computer quantistico “Bristlecone” da 72 qubit. Nel frattempo IBM ha prodotto il primo computer quantistico commercialmente disponibile, fornendo l’accesso al cloud alla loro macchina Q System One da 20 qubit, per un prezzo.

D-Wave è ancora avanti con la sua creazione di 2000 loop superconduttori come qubit, anche se alcuni fisici sono scettici che D-Wave abbia costruito un vero computer quantistico: La “supremazia quantistica”. Questo significa quando un computer quantistico risolve un problema oltre le capacità delle macchine classiche. Teoricamente questo dovrebbe essere possibile con una macchina a 50 qubit, ma solo se i tassi di errore sono abbastanza bassi.

Perché è così difficile costruire un computer quantistico?

Ci sono sfide ad ogni livello, dall’assemblaggio dei qubit, alla lettura e scrittura di informazioni su di essi, al trasporto di informazioni avanti e indietro senza che spariscano in un soffio di incertezza.

Un qubit è la diva per eccellenza. Mentre una star di Hollywood potrebbe chiedere un camerino gigantesco e un bagno pieno di petali di rosa, un qubit richiede un isolamento perfetto e un termostato impostato a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto. La minima vibrazione di un atomo vicino può far sì che un qubit faccia i capricci e perda la sua sovrapposizione.

La difficoltà principale è come mantenere i delicati stati di sovrapposizione ed entanglement abbastanza a lungo per eseguire un calcolo – il cosiddetto tempo di coerenza.

Nonostante questa sfida scoraggiante, la corsa per costruire il primo computer quantistico pratico è diventata una delle grandi sfide scientifiche del nostro tempo – coinvolgendo migliaia di fisici e ingegneri in decine di istituti di ricerca sparsi per il mondo.