L'imminente rivoluzione dei computer quantistici

Immagina un computer che funziona quasi alla velocità del corpo umano e memorizza tutti i suoi dati, come gli umani, su filamenti di DNA. Questa non è fantascienza - è davvero scienza - come gli scienziati hanno recentemente dimostrato come salvare i dati nel DNA. Solo negli ultimi due anni, i chip di elaborazione dei computer quantistici hanno fatto grandi passi avanti nel mondo tecnologico con processori più grandi e migliori costruiti e in uso sperimentale.

La meccanica quantistica fornisce le leggi sottostanti e le basi per la costruzione di computer quantistici. Questo è il campo della scienza che descrive come si comportano e interagiscono le particelle subatomiche e include leggi, teorie e principi della fisica quantistica che descrivono come queste interazioni sbalorditive si verificano nel campo della informatica.

Queste teorie e leggi includono la quantizzazione dell'energia, pacchetti di energia definiti quanti; l'esistenza simultanea di particelle sia come onda che come particelle nota come dualità onda-particella; il principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che la misurazione fa collassare la particella subatomica in uno dei suoi due stati potenziali; e il principio di corrispondenza, sviluppato dal fisico Niels Bohr, il quale postulava che ogni nuova teoria dovesse applicarsi anche a fenomeni convenzionali anche nella vecchia fisica, non solo descrivono il comportamento di particelle e onde a livello atomico nella nuova teorie.

Nell'informatica standard, i computer elaborano digitalmente bit di informazioni in uno dei due valori: zero e uno, che rappresentano uno stato acceso o spento. Mentre le velocità dei computer sono aumentate in modo esponenziale dai primi giorni dei personal computer alla fine degli anni '80 e all'inizio degli anni '90, questi e persino i supercomputer utilizzati dai militari, dai laboratori di ricerca e dalle università hanno ancora dei limiti sulla velocità con cui completano complessi matematici equazioni. Alcune equazioni impiegano anni perché anche i supercomputer funzionino a causa della lunghezza di alcune equazioni matematiche.

Non è così con un computer quantistico, costruito sull'idea dei bit quantistici, noti come qubit, poiché questi dati possono esistere in più stati 0 e 1 contemporaneamente. Maggiore è il numero di qubit in un computer quantistico, più potenziali stati consente e più veloci possono essere i calcoli dei dati. A causa dell'entanglement quantistico, ciò che Einstein chiamava "azione spettrale a distanza", i qubit possono operare a grandi distanze tra loro senza bisogno di fili. E per questo, ciò che accade a una particella, accade contemporaneamente all'altra.

I computer quantistici funzionano così velocemente che possono violare la maggior parte dei metodi di crittografia in uso oggi, comprese le transazioni bancarie e altri metodi di sicurezza informatica. Nelle mani di persone con intenti malevoli, un computer quantistico farebbe molti danni e potrebbe mettere il mondo in ginocchio tecnologico.

Ma nelle mani di persone con le giuste intenzioni, i computer quantistici faranno avanzare le capacità di intelligenza artificiale diversamente da qualsiasi cosa vista fino ad oggi. Ad esempio, potresti caricare la tavola periodica e le leggi della meccanica quantistica nel computer per progettare celle solari più efficienti. I computer quantistici possono portare a processi di produzione ottimizzati e ottimizzati, migliorare le batterie delle auto elettriche, calcolare algoritmi più rapidamente per dissolversi ingorghi autostradali, scopri i migliori metodi di spedizione e percorsi di viaggio e fondamentalmente elabora i dati a velocità enormi inaudite anche nel più veloce supercomputer.

I computer quantistici non offrono solo un tipo più avanzato di tecnologia; sono la base per una forma di calcolo completamente nuova basata sulle leggi che stanno alla base della meccanica quantistica. Rispetto a un computer standard dotato di metodi di calcolo classici, un computer quantistico fa sembrare un normale computer un triciclo rispetto a un'auto da corsa super veloce.

Gli sviluppi nei processori qubit nel corso degli anni includono:

• 1998 L'Università di Oxford nel Regno Unito ha rivelato il suo processore a 2 qubit.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University e MIT sviluppano un processore a 2 qubit.
• 2000 L'Università tecnica di Monaco di Baviera, in Germania, crea un processore a 5 qubit.
• 2000 Il Los Alamos National Laboratory negli Stati Uniti ha presentato un processore a 7 qubit.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics e MIT creano un processore a 12 qubit.
• 2017 IBM condivide la notizia del suo processore da 17 qubit.
• 2017 IBM presenta il suo processore da 50 qubit.
• 2018 Google condivide le notizie sul suo processore a 72 qubit.

Sebbene i computer quantistici funzionino velocemente, in questo momento non hanno modo di archiviare i dati perché in base alle regole della meccanica quantistica esistenti, non è possibile creare un duplicato, una copia o salvare i dati nel sistema quantistico. Ingegneri e scienziati stanno ricercando diversi modi per archiviare i dati quantistici; alcuni stanno anche considerando la memorizzazione di dati su filamenti di DNA.

Gli scienziati hanno sviluppato un metodo nel 2017 che memorizza circa 215 milioni di gigabyte di informazioni in un singolo grammo di DNA. I dischi rigidi convenzionali archiviano i dati in due dimensioni, mentre il DNA offre tre dimensioni e una maggiore memorizzazione dei dati. Se un modo per usare il DNA si rivelasse praticabile, praticamente tutta la conoscenza del mondo memorizzata sul DNA riempirebbe una singola stanza o il retro di due camioncini standard.

Ricercatori e grandi attori di tutto il mondo si stanno impegnando per costruire il prossimo processore più grande. IBM ha inserito il calcolo quantistico nel suo cloud, rendendolo disponibile alla maggior parte di chiunque si iscriva per partecipare ai suoi esperimenti.

Microsoft è in procinto di integrare l'informatica quantistica nella sua piattaforma Visual Studio, ma oltre ad aver annunciato a settembre 2017 i suoi piani per basare i suoi piani sul Particella di Majorana Fermions – una particella che esiste come propria antiparticella e che è stata scoperta nel 2012 – Microsoft rimane relativamente silenziosa sul suo calcolo quantistico piani.

Google ha in programma di dominare il campo dei computer quantistici e spera di raggiungere la "supremazia quantistica" costruendo un chip in grado di superare i supercomputer di oggi con i suoi calcoli quantistici.

Indipendentemente dai progressi compiuti nell'informatica quantistica, i computer quantistici non arriveranno presto nelle mani del pubblico. I computer quantistici funzionanti troveranno prima la loro strada nei laboratori, nei think tank e nei centri di ricerca per aiutare a risolvere equazioni che richiederebbero anni prima che i supercomputer funzionino.

Sebbene molti ricercatori prevedano la commercializzazione dei computer quantistici entro i prossimi quattro-cinque anni anni, potrebbero passare alcuni anni dopo e ancora di più prima che i computer quantistici diventino la norma per il pubblico.