AI & ROBOTICA

Computer quantistici: a che punto siamo?

Un’analisi dello stato di avanzamento dei lavori nel settore.

Sabine Hossenfelder è un fisico teorico specializzato nella ricerca sulla gravità quantistica ed è uno degli astri nascenti della divulgazione scientifica.

Attraverso il suo canale Youtube si prodiga, riuscendoci egregiamente, alla diffusione di informazioni relative a concetti molto complessi nel campo della fisica teorica e sperimentale sapendoli condensare in un formato comprensibile anche alle persone senza una formazione specialistica.

Sabine, come ricercatrice nel campo della fisica quantistica è quindi forse una delle persone più titolate per monitorare lo stato avanzamento lavori nel settore dei computer quantistici.

Essi, a differenza dei computer tradizionali che funzionano sul principio che un bit possa assumere in un preciso istante temporale solo uno tra i due stati 0 e 1, sfruttano il principio di indeterminazione di Heisenberg per far assumere ai propri bit quantistici (qubit) entrambi gli stati contemporaneamente. In questo modo una catena di qubit è in grado di assumere nello stesso istante tutte le possibilità di configurazione degli stati dei suoi stessi qubit e di svolgere di conseguenza calcoli complessi in un tempo molto più breve se paragonato ad una computazione eseguita da un normale computer.

Semplificando ai minimi termini, è come se sottoponessimo ad un computer la mappa di un labirinto chiedendo ad esso di trovarne l’uscita. Un computer normale analizzerebbe ogni singolo percorso linearmente, tentandoli uno per uno sequenzialmente sino a trovare quello che collega l’ingresso con l’uscita del labirinto. Sottoponendo lo stesso problema ad un computer quantistico, esso sarebbe in grado di analizzare tutti i percorsi contemporaneamente, trovando l’uscita del labirinto quasi istantaneamente.

Nell’ultimo video divulgativo pubblicato su Youtube, Sabine ci regala un report conciso sullo stato dello sviluppo dei computer quantistici, elencandone le diverse tecnologie alla base del loro funzionamento e i relativi vantaggi e criticità, che riportiamo in questo articolo a favore dei lettori.

La prima tecnologia utilizzata per lo sviluppo dei computer quantistici è stata quella dei qubit a superconduzione ed è quella adottata da Google e IBM e altre piccole startup.

Il vantaggio di questa tecnologia è che con essa è possibile realizzare computer quantistici con la stessa metodologia dei computer tradizionali. Gli svantaggi collegati ad essa sono la necessità di raffreddare i chip quantistici a temperature bassissime (tra i 10 e i 20 milliKelvin) e che gli effetti quantistici, ovvero lo stato di coerenza dei qubit che ne determina il tempo utile allo sfruttamento ai fini del calcolo, permanga per brevissimo tempo, qualche decina di microsecondi.

Il computer quantistico di Google contiene 53 qubit e in un test ha saputo risolvere in soli 200 secondi un computo matematico che un normale computer avrebbe risolto in 10.000 anni di funzionamento. IBM dal canto suo ha sviluppato un computer quantistico con 65 qubits.

Dato che questa tecnologia necessita di un sistema di raffreddamento molto potente, vien da sé che essa necessiti di enormi spazi e quantità di energia, soprattutto se pensiamo che per poter competere sullo stesso terreno dei computer tradizionali i computer quantistici dovranno scalare sino a contenere un milione di qubits.

La seconda tecnologia è quella dei computer quantistici a fotoni che a differenza dei primi, utilizzano la superimposizione dello stato di fotoni per rappresentare un qubit. Ad oggi essi sono sviluppati dalla società canadese Xanadu e da un gruppo di ricercatori cinesi. Il grande vantaggio di questa tecnologia è che essa opera a temperatura ambiente e che lo stato dei qubit è in grado di mantenere la superimposizione per diversi millisecondi  e in alcuni casi sino a qualche ora, in condizioni ideali.

Lo svantaggio è quello dell’elevata dimensione a causa delle ottiche e dei laser necessari per il funzionamento di ogni singolo qubit.

Questa tecnologia è utilizzata anche dalla società PsiQuantum che asserisce di aver risolto il problema della scalabilità e del dimensionamento sino a poter raggiungere la soglia del milione di qubits. Tuttavia essa non ha saputo andare oltre ai comunicati stampa, non avendo ancora mostrato un prototipo funzionante.

La terza tecnologia è quella adottata da Honeywell e IonQ ed è basata sulle trappole ioniche dove i qubit sono atomi ai quali viene sottratto un elettrone, ottenendo così una carica netta negativa. Questi atomi vengono intrappolati in un campo elettromagnetico per poter essere manipolati con dei laser e rispetto alla prima tecnologia devono essere anch’essi raffreddati, ma a temperature meno estreme, nell’ordine di pochi gradi Kelvin.

I vantaggi rispetto alla prima tecnologia sono una più lunga permanenza del tempo di coerenza dei qubit e la possibilità di far interagire tra loro i qubit per tempi che raggiungono qualche minuto. Gli svantaggi sono la difficoltà nel poter ospitare molti qubit su un singolo chip e la minore velocità di elaborazione.

La quarta tecnologia è quella della computazione quantistica topologica che al momento esiste solo nelle formule matematiche utilizzate per descriverla. In essa le informazioni vengono memorizzate in quasi-particelle ovvero la somma dei movimenti delle particelle che le compongono.

Questa tecnologia è allo studio da parte di Microsoft che asserisce che il principale vantaggio sia un lunghissimo tempo di coerenza dei qubit. Tuttavia, lo scorso febbraio, Microsoft è stata costretta a ritirare uno studio che provava la fattibilità di tali qubit pertanto, come nel caso della fusione nucleare a freddo, siamo ancora alle primissime fasi di studio teorico.

Attualmente  una manciata di altre tecnologie è in fase di studio teorico, ma alla pari di quella di Microsoft, esse non hanno ancora prodotto alcun risultato. Concludendo, riportiamo il link al video divulgativo di Sabine Hossenfelder alla base di questo articolo riassuntivo invitando i lettori di Infosec News a sfogliare la sua intera libreria alla ricerca di spiegazioni su svariati temi di natura fisica.

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