Computer quantistico: differenze tra le versioni

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== Storia ==
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Un computer quantistico (o quantico) è un dispositivo per il trattamento ed elaborazione delle informazioni che, per eseguire le classiche operazioni sui dati, utilizza i fenomeni tipici della meccanica quantistica, come la sovrapposizione degli stati e l'entanglement.[1]

Il campo della computazione quantistica è in realtà una sottobranca dell'informatica quantistica, che comprende anche la crittografia quantistica e la comunicazione quantistica. La computazione quantistica cominciò all'inizio degli anni 1980 quando il fisico Paul Benioff propose il primo modello quantistico della macchina di Turing.[2] In seguito Richard Feynman e Jurij Manin espressero l'idea che il computer quantistico avesse il potenziale di simulare cose che un computer classico non riesce a fare.[3][4] Nel 1994, Peter Shor pubblicò un algoritmo capace di risolvere efficientemente alcuni problemi tipici della crittografia asimmetrica che sono considerati difficili per i computer classici.[5] Attualmente ci sono due principali approcci all'implementazione fisica di un computer quantistico: quello analogico e quello digitale. Gli approcci analogici vengono ancora divisi in simulazione quantistica, ricottura quantistica, e computazione quantistica adiabatica. I computer quantistici digitali fanno i calcoli con le porte logiche quantistiche. Entrambi gli approcci usano i bit quantistici o qubit.[1] I qubit sono fondamentali per i computer quantistici e sono in un certo qual senso analoghi ai bit classici. I qubit possono essere nello stato quantico 0 oppure 1, ma possono essere anche in una sovrapposizione dei due stati. Tuttavia, quando i qubit vengono misurati il risultato è sempre o 0 o 1; le probabilità dei due esiti dipendono dallo stato in cui erano.[6] Ad aprile 2019, non sono stati mostrati grandi hardware quantistici scalabili e non sono neanche stati pubblicati algoritmi commercialmente utili per gli attuali computer quantistici, piccoli e rumorosi.[1] C'è una crescente quantità di investimenti nei computer quantistici da governi, start-up e aziende già avviate.[7] La ricerca accademica e industriale sta anche perseguendo attivamente applicazione di dispositivi di media scala[6] e la dimostrazione della supremazia quantistica.[8] I computer quantistici fisici di oggi sono molto rumorosi e la correzione quantistica degli errori (quantum error correction) è un promettente campo di ricerca. L'hardware attuale è talmente rumoroso che "un computer quantistico a prova di guasti [è] ancora un sogno piuttosto lontano".

Storia

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La prima idea sulla possibilità di costruire computer utilizzando il comportamento delle particelle elementari (specialmente la loro non-località o entanglement) era venuta allo scienziato Murray Gell-Mann (premio Nobel per la fisica nel 1969): nel 1982 aveva intravisto come si sarebbe potuto disporre, sfruttando quelle proprietà delle particelle elementari così contro-intuitive, di un formidabile nuovo elemento-base per una diversa tipologia di scienza informatica.

Descrizione

Per decenni l'aumento della potenza dei computer è andato di pari passo con la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, fenomeno codificato empiricamente nella Legge di Moore: la densità dei transistor su un microchip e la relativa velocità di calcolo raddoppiano ogni 18 mesi.

La miniaturizzazione dei componenti però si è fermata alle soglie della meccanica quantistica, rendendo impossibile aumentare ulteriormente la densità dei transistor e la riduzione delle dimensioni dei circuiti integrati (accorgimenti fino ad oggi adottati per incrementare le prestazioni di calcolo dei microprocessori).

Con una felice intuizione dell'informatica teorica, la meccanica quantistica è stata trasformata in un'opportunità per realizzare macchine con una potenza di calcolo enormemente superiore ai computer convenzionali: i computer quantistici.

Al posto dei convenzionali bit – unità d'informazione binaria, indicate convenzionalmente con le cifre 0 e 1 e codificate dai due stati "aperto" e "chiuso" di un interruttore – nel computer quantistico si usano i qubit, elementi base dell'informazione quantistica codificati dallo stato quantistico in cui si trova una Particella o un atomo. Lo spin di una particella, per esempio, ha due stati che possono codificare informazioni binarie. A rendere interessanti, ai fini del calcolo, le particelle atomiche e subatomiche è il fatto che possono esistere anche in una sovrapposizione di stati, ampliando enormemente le possibilità di codifica delle informazioni, quindi permettendo di affrontare problemi estremamente complessi.

Tuttavia, né la manipolazione controllata di atomi e particelle, né la loro reciproca comunicazione né, infine, la stesura di algoritmi adatti, sono obiettivi facili da raggiungere, per cui la strada per realizzare un computer quantistico è appena agli inizi[9].

Sono note alcune decine di algoritmi quantistici che si suddividono tra algoritmi algebrici e di teoria dei numeri, algoritmi oracolari, e algoritmi di approssimazione e simulazione. [10]

Cronologia

La prima idea di computer quantistico la esposero separatamente in due articoli pubblicati in via indipendente i fisici Paul Benioff e Yuri Manin nel 1980 [11].

Nel 1982 Benioff mostra che un quantum computer può essere reversibile, cioè le sue operazioni possono essere invertite.

Nel 1985 David Deutsch, in analogia a quanto fece Alan Turing con la definizione della macchina universale, definisce il computer quantistico universale, in grado di essere programmato con un qualsiasi algoritmo quantistico.

Anche Eric Drexler, in modo indipendente, rifletté sulla costruzione di computer molecolari nel suo libro Engines of Creation del 1986 ("Motori della creazione").

Nel 1992 Deutsch e Jozsa annunciano il primo algoritmo che esibisce un vantaggio quantistico.

Nel 1994 Peter Shor dimostrò che sarebbe stato possibile fattorizzare qualsiasi numero a grandi velocità di elaborazione.

Nel 1998 il fisico Bruce Kane propose la costruzione di un elaboratore quantistico su atomi di fosforo disposti su uno strato di silicio spesso solo 25 nanometri. È il computer quantistico di Kane.

Schema del computer di Kane

Nel 2001 la IBM dimostra il primo calcolo di un algoritmo quantistico mediante un esperimento costituito da impulsi elettromagnetici che manipolano una risonanza magnetica nucleare su molecole costituite da sette atomi, che fungono da base hardware per sette bit quantistici (qubit). Questo metodo viene successivamente abbandonato perché non è in pratica realizzabile un sistema che controlli molecole con un numero di atomi sufficiente da fornire i qubits per un algoritmo quantistico di un qualche interesse pratico.

Nel 2005 viene dimostrata la prima porta logica quantistica detta Controlled-NOT (CNOT) mediante qubits a superconduttore.

Nel 2012 l'azienda canadese D-Wave annuncia il primo computer quantistico commerciale. Si tratta di un "annealer quantistico ", denominato Vesuvius, costituito da 64 registri da 8 qubits a superconduttore. Il modello viene acquistato a fini di ricerca dalla NASA con Google e da Lockheed MArtin.

Nel 2019 esistono computer quantistici commerciali basati rispettivamente sui superconduttori e sugli ioni carichi intrappolati. L'ambito dei computer quantistici è un campo di ricerca aperto che include anche altri differenti approcci che hanno consentito di implementare qubits e porte logiche tra cui i pozzi quantici o i difetti atomici nei semiconduttori (tra cui in silicio, arseniuro di gallio e diamante), atomi neutri, fotoni.

A febbraio 2019 IBM ha commercializzato il primo computer quantistico, denominato IBM Q System One, utilizzabile da remoto[12].

Nonostante alcune connessioni dei computer quantistici con l'ambito delle comunicazioni quantistiche relative ad esempio al possibile impiego di fotoni per collegare stati tra computer quantistici situati in località distinte, non si deve confondere il campo dei computer quantistici con quello della crittografia quantistica per le comunicazioni, rappresentato ad esempio dal satellite cinese Micius, il primo a consentire una comunicazione quantistica via satellite [13].

Innovazioni

  • Nel 2001 la IBM, all'Almaden Research Center, in cui opera un gruppo coordinato da Isaac Chuang, crea un elaboratore quantistico a 7 qubit (Composto da una sola molecola con 7 spin nucleari).
  • Nel 2005 dei fisici dell'University of Arizona sono riusciti a misurare direttamente le variazioni subite dalla lunghezza d'onda di un atomo a contatto con una superficie.
  • Nel febbraio 2005 viene realizzata, per la prima volta, una Correlazione quantistica fra atomi artificiali.
  • Nel dicembre del 2005 viene creato dagli scienziati dell'istituto di ottica quantistica ed informatica quantistica dell'Università di Innsbruck (in Austria) il primo qubyte (8 qubit).
  • I ricercatori dell'Università di Harvard ed il Georgia Institute of Technology riescono a trasferire informazione quantistica tra diversi tipi di memorie quantistiche, da atomi a fotoni e viceversa.
  • Nel 2006 Peter Zoller, dell'Università di Innsbruck, scopre un metodo su come usare molecole polari criogeniche per rendere stabili le memorie quantistiche.
  • Ricercatori giapponesi sviluppano un metodo per contare singoli elettroni.
  • Il 13 febbraio 2007 la D-Wave Systems mostra pubblicamente l'Orion, quello che si ritiene il primo computer quantistico adiabatico a 16 qubit[14].
  • Nell'aprile 2008 ricercatori dell'Università dello Utah con a capo Ajay Nahata dimostrano la possibilità di creare una porta logica quantica mediante una fibra ottica a raggi T[15].
  • Nel 2009 viene costruito il primo processore che sfrutta 2 qubit.
  • L'11 maggio 2011 la D-Wave Systems annuncia il D-Wave One, elaboratore a 128 qubit, che risulta essere il primo computer quantistico ad essere commercializzato[16].
  • In aprile 2012 gli scienziati del Max Planck Institute, istituto di ottica quantistica, riescono a creare la prima rete quantica funzionante.
  • Nel maggio 2013 Google e NASA presentano il D-Wave Two, nel Quantum Artificial Intelligence Lab, in California.
  • Nel febbraio 2016 IBM mette a disposizione pubblicamente l'elaboratore IBM Quantum Experience[17], il primo computer quantistico in modalità cloud con un processore a 5 qubit.
  • A metà 2017 IBM mette a disposizione via cloud, tramite IBM Quantum Experience[17], processori quantistici a 16 e 20 qubit.
  • Nel marzo 2018 Google Quantum AI Lab[18], presenta il nuovo processore Bristlecone a 72 qubit.
  • L'8 gennaio 2019 IBM annuncia al CES il primo quantum computer per uso commerciale "IBM System Q One" e la piattaforma "IBM Q Network" per uso scientifico e commerciale.

Bibliografia

  • Enrico Prati, Cap. 3 I computer quantistici, in Mente artificiale, Milano, EGEA, 2017.

Note

  1. ^ a b c The National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Quantum Computing : Progress and Prospects (2018), Washington, DC, National Academies Press, 2019, I-5, DOI:10.17226/25196, ISBN 978-0-309-47969-1.
  2. ^ The computer as a physical system: A microscopic quantum mechanical Hamiltonian model of computers as represented by Turing machines, in Journal of Statistical Physics, vol. 22, n. 5, 1980, pp. 563–591, DOI:10.1007/bf01011339.
  3. ^ Simulating Physics with Computers (PDF), in International Journal of Theoretical Physics, vol. 21, n. 6/7, June 1982, pp. 467–488, DOI:10.1007/BF02650179. URL consultato il 28 February 2019.
  4. ^ (Russian) Manin, Yu. I., Vychislimoe i nevychislimoe (ZIP), Sov.Radio, 1980, pp. 13–15. URL consultato il 4 marzo 2013. Lingua sconosciuta: Russian (aiuto)
  5. ^ Breaking RSA Encryption with a Quantum Computer: Shor's Factoring Algorithm (PDF), in Cornell University, Physics 481-681 Lecture Notes, March 28, 2006 (archiviato dall'url originale il 15 novembre 2012).
  6. ^ a b John Preskill, Quantum Computing in the NISQ era and beyond, in Quantum, vol. 2, 2018, p. 79, DOI:10.22331/q-2018-08-06-79.
  7. ^ Quantum Computing Report: Players, su quantumcomputingreport.com.
  8. ^ Template:Cite arxiv
  9. ^ Le Scienze, su lescienze.it.
  10. ^ Raccolta di Algoritmi presso il NIST, su math.nist.gov (archiviato dall'url originale il 25 luglio 2018).
  11. ^ Mente artificiale, E. Prati, Cap. 3 I computer quantistici, EGEA (2017)
  12. ^ IBM Q System One, il primo computer quantistico commerciale, su Tom's Hardware. URL consultato il 13 settembre 2019.
  13. ^ La corsa al computer quantistico che tocca la Cina e gli Stati Uniti, Gli Occhi della Guerra, 3 febbraio 2019
  14. ^ Dimostrazione pubblica di Orion
  15. ^ Un computer a raggi T
  16. ^ D-Wave annuncia il primo computer quantistico, su ampletech.net. URL consultato il 19 maggio 2011 (archiviato dall'url originale il 22 maggio 2011).
  17. ^ a b IBM Research Quantum Experience, su www.research.ibm.com, 11 febbraio 2016. URL consultato il 12 settembre 2016.
  18. ^ (EN) A Preview of Bristlecone, Google’s New Quantum Processor, in Research Blog. URL consultato il 6 marzo 2018.

Voci correlate

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Collegamenti esterni

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