Che cos'è l'informatica quantistica?
L'informatica quantistica è un campo multidisciplinare che comprende aspetti dell'informatica, della fisica e della matematica e che utilizza la meccanica quantistica per risolvere problemi complessi più velocemente rispetto ai computer classici. Il campo dell'informatica quantistica comprende la ricerca sull'hardware e lo sviluppo di applicazioni. I computer quantistici sono in grado di risolvere alcuni tipi di problemi più velocemente dei computer classici sfruttando gli effetti della meccanica quantistica, come la sovrapposizione e l'interferenza quantistica. Alcune applicazioni in cui i computer quantistici possono fornire un tale aumento di velocità includono il machine learning (ML), l'ottimizzazione e la simulazione di sistemi fisici. Casi d'uso futuri potrebbero essere l'ottimizzazione di portafogli finanziari o la simulazione di sistemi chimici, che risolverebbero alcuni problemi attualmente insolubili anche per i più potenti supercomputer disponibili sul mercato.
Qual è il vantaggio dell'informatica quantistica?
Al momento non esiste computer quantistico in grado di eseguire un'operazione utile in modo più rapido, conveniente o efficiente di un computer classico. Il vantaggio della tecnologia quantistica si avrà nel momento in cui verrà realizzato un sistema quantistico in grado di eseguire operazioni che il più avanzato computer classico non è assolutamente in grado di simulare in tempo ragionevole.
Che cos'è la meccanica quantistica?
La meccanica quantistica è la branca della fisica che studia il comportamento delle particelle a livello microscopico. Ai livelli subatomici, le equazioni che descrivono il comportamento delle particelle differiscono da quelle che descrivono il mondo macroscopico intorno a noi. I computer quantistici sfruttano tali comportamenti per eseguire calcoli in modo del tutto nuovo.
Che cos'è un qubit?
I bit quantistici, detti qubit, sono rappresentati da particelle quantistiche. La manipolazione dei qubit da parte di dispositivi di controllo è alla base della capacità di elaborazione di un computer quantistico. I qubit nei computer quantistici sono equivalenti ai bit nei computer classici. Alla base, il processore di una macchina classica svolge ogni operazione manipolando bit. Analogamente, il processore quantistico esegue tutte le sue operazioni elaborando qubit.
Quali sono le differenze tra qubit e bit classici?
Nell'informatica classica, un bit è un segnale elettronico che può essere attivo o non attivo. Il valore del bit classico può quindi essere uno (attivo) o zero (non attivo). Tuttavia, essendo basato sulle leggi della meccanica quantistica, il qubit può essere posizionato in una sovrapposizione di stati.
Quali sono i principi dell'informatica quantistica?
Un computer quantistico funziona in base a principi quantistici. I principi quantistici richiedono un nuovo vocabolario di termini da comprendere fino in fondo, tra cui sovrapposizione, entanglement e decoerenza. Di seguito cercheremo di capire tali principi.
Sovrapposizione
La sovrapposizione afferma che, in maniera analoga alle onde nella fisica classica, è possibile sommare due o più stati quantistici e il risultato sarà un altro stato quantistico valido. Viceversa, è anche possibile rappresentare ogni stato quantistico come la somma di uno o più altri stati distinti. Questa sovrapposizione di qubit fornisce ai computer quantistici l'inerente parallelismo che li contraddistingue e consente loro di elaborare milioni di operazioni contemporaneamente.
Entanglement
L'entanglement quantistico si verifica quando due sistemi sono correlati in maniera talmente stretta che la conoscenza dell'uno determina l'immediata conoscenza dell'altro, a prescindere dalla loro distanza. I processori quantistici possono trarre conclusioni su una particella misurandone un'altra. Ad esempio, possono determinare che se un qubit ruota verso l'alto, l'altro ruoterà sempre verso il basso, e viceversa. L'entanglement quantistico consente ai computer quantistici di risolvere problemi complessi più in fretta.
Quando viene misurato uno stato quantistico, la funzione d'onda collassa e la misura dello stato corrisponde o a zero o a uno. In questo stato noto o deterministico, il qubit agisce come un bit classico. L'entanglement è la capacità dei qubit di correlare il proprio stato con altri qubit.
Decoerenza
La decoerenza è la perdita dello stato quantistico in un qubit. Fattori ambientali, come le radiazioni, possono provocare il collasso dello stato quantistico dei qubit. Una grande sfida ingegneristica nella costruzione di un computer quantistico è la progettazione delle varie funzionalità che tentano di ritardare la decoerenza dello stato, ad esempio la creazione di apposite strutture che schermino i qubit dai campi esterni.
Quali sono i componenti di un computer quantistico?
I computer quantistici si compongono di hardware e software, in maniera analoga ai computer classici.
Hardware quantistico
L'hardware quantistico presenta tre componenti principali.
Piano dati quantistico
Il piano dati quantistico è il nucleo del computer quantistico e include i qubit fisici e le strutture necessarie per mantenerli in posizione.
Piano di controllo e misurazione
Il piano di controllo e misurazione converte i segnali digitali in segnali di controllo a onda o analogici. Questi segnali analogici eseguono le operazioni sui qubit nel piano dati quantistico.
Piano del processore di controllo e processore host
Il piano del processore di controllo implementa l'algoritmo quantistico o la sequenza di operazioni. Il processore host interagisce con il software quantistico e fornisce un segnale digitale o una sequenza di bit classici al piano di controllo e misurazione.
Software quantistico
Il software quantistico implementa algoritmi quantistici esclusivi utilizzando circuiti quantistici. Un circuito quantistico è una routine di calcolo che definisce una serie di operazioni quantistiche logiche sui qubit sottostanti. Gli sviluppatori possono usare vari strumenti e librerie di sviluppo software per codificare gli algoritmi quantistici.
Quali sono i tipi di tecnologia quantistica?
Nessuno ha dimostrato qual è il modo migliore per costruire un computer quantistico tollerante agli errori e più aziende e gruppi di ricerca stanno studiando diversi tipi di qubit. Sotto è riportato un breve esempio di alcune di tali tecnologie di qubit.
Processori a trappola ionica basati sul modello delle porte logiche
Un computer quantistico basato sul modello delle porte logiche è un dispositivo che raccoglie i dati di input e li trasforma secondo un'operazione unitaria predefinita. L'operazione viene tipicamente rappresentata con un circuito quantistico ed è analoga alle operazioni di porta logica nell'elettronica tradizionale. Tuttavia, le porte quantistiche sono completamente diverse da quelle elettroniche.
I computer quantistici a ioni intrappolati implementano i qubit utilizzando stati elettronici di atomi carichi, denominati ioni. Gli ioni sono confinati e sospesi sopra la trappola microfabbricata mediante campi elettromagnetici. I sistemi basati su ioni intrappolati applicano porte quantistiche utilizzando laser per manipolare lo stato elettronico dello ione. I qubit a ioni intrappolati usano atomi provenienti dalla natura, anziché produrre i qubit in modo sintetico.
Processori superconduttori basati sul modello delle porte logiche
La superconduttività è un insieme di proprietà fisiche osservabili in certi materiali, come mercurio ed elio, a temperature molto basse. In questi materiali si osserva una temperatura critica caratteristica sotto la quale la resistenza elettrica è parti a zero e i campi di flusso magnetico vengono espulsi. Una corrente elettrica attraverso un anello di filo superconduttore può persistere indefinitamente senza alcuna fonte di alimentazione.
Il calcolo quantistico superconduttore è un'implementazione di un computer quantistico in circuiti elettronici superconduttori. I qubit superconduttori sono costruiti con circuiti elettrici superconduttori che funzionano a temperature criogeniche.
Processori fotonici
Un processore fotonico quantistico è un dispositivo che manipola la luce per i calcoli. I computer quantistici fotonici usano sorgenti di luce quantistica che emettono impulsi di luce compressi, con qubit equivalenti che corrispondono alle modalità di un operatore continuo, come la posizione o il momento.
Processori ad atomi neutri
La tecnologia di qubit ad atomi neutri è simile a quella a trappola ionica. Tuttavia, per intrappolare il qubit e mantenerlo in posizione sfrutta la luce anziché le forze elettromagnetiche. Gli atomi non sono carichi e i circuiti possono funzionare a temperature ambiente.
Processori ad atomi di Rydberg
Un atomo di Rydberg è un atomo eccitato con uno o più elettroni più lontani dal nucleo, in media. Gli atomi di Rydberg hanno una serie di proprietà particolari, tra cui una risposta molto intensa ai campi elettrici e magnetici e una vita lunga. Quando vengono utilizzati come qubit, offrono interazioni atomiche forti e controllabili che si possono regolare selezionando stati diversi.
Strumenti di ricottura quantistica
La ricottura quantistica sfrutta un processo fisico per posizionare i qubit di un sistema quantistico in un minimo energetico assoluto. A quel punto, l'hardware altera delicatamente la configurazione del sistema affinché il panorama energetico rifletta il problema da risolvere. Il vantaggio degli strumenti di ricottura quantistica è che il numero di qubit può essere molto maggiore di quelli disponibili in un sistema basato su porte logiche. Tuttavia, il loro uso è limitato a casi specifici.
Come sfruttano le aziende il calcolo quantistico?
L'informatica quantistica può rivoluzionare interi settori. Di seguito sono riportati alcuni esempi di casi d'uso:
ML
Il processo di machine learning (ML) consiste nell'analisi di enormi quantità di dati per consentire ai computer di migliorare previsioni e decisioni. La ricerca nel campo del calcolo quantistico studia i limiti fisici dell'elaborazione delle informazioni e sta aprendo nuove strade nella fisica fondamentale. Questi studi determinano un avanzamento in molti campi della scienza e dell'industria, tra cui chimica, ottimizzazione e simulazione molecolare. Si tratta inoltre di un'area di interesse in espansione per la previsione dei movimenti del mercato da parte dei servizi finanziari e il miglioramento delle operazioni nel settore manifatturiero.
Ottimizzazione
L'informatica quantistica può migliorare ricerca e sviluppo, ottimizzazione della catena di approvvigionamento e produzione. Ad esempio, è possibile applicarla per diminuire i costi legati al processo di produzione e abbreviare i tempi di ciclo ottimizzando elementi quali la pianificazione del percorso nei processi più articolati. Un'altra applicazione è l'ottimizzazione quantistica di portafogli prestiti, in modo che i prestatori possano sbloccare capitale, ridurre i tassi d'interesse e migliorare le offerte.
Simulazione
Lo sforzo computazionale necessario a simulare con precisione i sistemi aumenta esponenzialmente con la complessità delle molecole e dei materiali farmaceutici. Anche utilizzando metodi per approssimazione, i supercomputer odierni non sono in grado di raggiungere il livello di precisione richiesto da tali simulazioni. Il calcolo quantistico ha il potenziale di risolvere alcuni dei problemi di calcolo più impegnativi affrontati nel settore chimico, così da poter consentire alla comunità scientifica di eseguire simulazioni chimiche oggi impossibili. Ad esempio, Pasqal ha creato il software computazionale QUBEC per eseguire simulazioni chimiche. QUBEC automatizza il carico di lavoro intenso necessario per eseguire operazioni di calcolo quantistico, dal provisioning automatico dell'infrastruttura di calcolo all'esecuzione dei calcoli classici pre- e post-elaborazione e all'esecuzione di operazioni di riduzione degli errori.
Come si può cominciare a usufruire dell'informatica quantistica?
Per chi desidera cimentarsi con il calcolo quantistico, è possibile cominciare con un emulatore di hardware quantistico sulla propria macchina locale. Gli emulatori sono normali software che imitano il comportamento quantistico su un computer classico. Sono prevedibili e consentono di visualizzare gli stati quantistici. Sono utili se si desidera testare i propri algoritmi prima di investire il proprio tempo nell'hardware quantistico. Tuttavia, non sono in grado di ricreare un comportamento quantistico reale.
È anche possibile utilizzare un servizio di calcolo quantistico cloud per eseguire codice su un vero computer quantistico senza investire in hardware costoso.
Quale aiuto offre AWS per il calcolo quantistico?
Amazon Braket è un servizio di calcolo quantistico completamente gestito. È progettato per velocizzare la ricerca scientifica e lo sviluppo di software per il calcolo quantistico. Amazon Braket permette di svolgere le seguenti attività:
- Lavorare con diversi tipi di computer quantistici e simulatori di circuiti usando un insieme di strumenti di sviluppo coerente.
- Creare progetti quantistici su un cloud sicuro con prezzi e controlli di gestione chiari per carichi di lavoro quantistici e classici.
- Innovare rapidamente con la guida e il supporto tecnico di esperti, oppure collabora con i consulenti del Laboratorio delle soluzioni Amazon Quantum.
- Espandere i confini della ricerca sugli hardware quantistici con accesso a dispositivi con trappola ionica, superconduttori, fotonici e di ricottura.
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