Nel ruolo di ultimo articolo sulla serie quantistica si vanno ad esaminare modelli tipici di calcolo per comprendere come la teoria contenuta negli articoli precedenti può essere effettivamente implementata per costruire qubit e computer quantistici. oltre a una rapida un'istantanea dell'attuale stato dell'arte per quanto riguarda l'implementazione dei computer quantistici.

MODELLI DI CALCOLO QUANTISTICO

Ormai, siamo consapevoli che le proprietà quantomeccaniche del mondo possono essere utilizzate per calcolare, ovvero eseguire una trasformazione su un dato input per produrre l'output desiderato.

Tuttavia, ci sono vari modi per farlo e sono i cosiddetti modelli di calcolo quantistico ed è necessario fare alcune considerazioni:

• Questi modelli sono intercambiabili ed equivalenti in potenza di calcolo
• Forniscono approcci diversi alla risoluzione dei problemi, ciascuno con una serie di problemi che risolve più facilmente (il punto forte)

In quanto tali, come sempre accade quando si hanno più opzioni, ognuno ha i suoi vantaggi e svantaggi, sebbene ciascuno ha la sua distinta affascinante essenza.

CIRCUITO QUANTISTICO

Negli articoli precedenti il focus è stato principalmente sul modello di circuito quantistico dove i calcoli sono descritti come una sequenza di porte, analoghe ai circuiti classici, che eseguono trasformazioni reversibili su un insieme di qubit, il cui stato viene solitamente misurato alla fine.

CALCOLO QUANTISTICO ADIABATICO

È un'applicazione quantistica del Teorema adiabatico, secondo il quale un sistema meccanico quantistico si adatta ai cambiamenti nell'ambiente quando gli viene dato abbastanza tempo e non lo farà, altrimenti.

Questo è esattamente ciò che accade nel metallo e nel vetro quando vengono portati ad alte temperature e lasciati raffreddare lentamente, in modo che possano ricristallizzarsi nella loro organizzazione naturale, acquisendo così alcune migliori proprietà meccaniche. Questo processo è chiamato annealing e, in effetti, il calcolo quantistico adiabatico viene anche chiamato (con alcune sfumature) come Quantum Annealing.

Perché questo è interessante per il Quantum Computing? Perché siamo in grado di generare un'Hamiltoniana (Operatore hamiltoniano) il cui stato fondamentale (lo stato di minore energia) descrive la soluzione finale al nostro problema.

Si prenda il problema SAT menzionato in un precedente articolo e lo si pensi come una raccolta di vincoli tra variabili (qubit) che possono essere implementati su un sistema quantistico, si specifichino solo i vincoli e non l'algoritmo (questo è già implicito) e poi si evolva adiabaticamente il sistema (il che significa portarlo a stati di energia sempre più bassi).

Un modo per farlo è raffreddare il sistema, portarlo (lentamente) a livelli di temperatura più bassi e quindi eseguire una misurazione, che codificherà la soluzione al problema iniziale.

COMPUTER QUANTISTICO BASATO SU MISURE (UNIDIREZIONALE)

Questo modello si concentra sull'uso dell'entanglement per descrivere relazioni simili a grafici tra lo stato quantistico e quindi esegue misurazioni individuali e ordinate sui qubit, fino a ottenere la soluzione al problema.

Va notato che il risultato di una misurazione su uno dei qubit può determinare se saranno necessarie ulteriori operazioni (come quale base misurare).

Il termine Unidirezionale deriva dal fatto che c'è una logica sequenziale dietro le misurazioni e perché lo stato entangled iniziale viene distrutto una volta eseguita una misurazione e ciò che rimane è raccogliere i valori correlati dei qubit precedentemente entangled, come già visto, e ottenere la soluzione.

Le più semplici implementazioni fisiche di un tale sistema possono solitamente essere viste come un reticolo di qubit.

COMPUTER QUANTISTICO TOPOLOGICO

Questo modello è un pò più teorico e ha alcune proprietà interessanti, vale a dire che impiega quasiparticelle che possono essere intrecciate insieme in uno spaziotempo bidimensionale. Ciò è abbastanza difficile per la mente non fisica ma significa essenzialmente che le particelle quantistiche possono essere collegati dall'equivalente di porte quantistiche, sebbene queste siano inerenti al sistema.

Sebbene più difficile da implementare, questo sistema a treccia può essere molto più resistente rispetto alle tipiche implementazioni qubit alle interferenze esterne e, quindi, meno soggetto a errori.

REALIZZARE COMPUTER QUANTISTICI

Dopo quanto trattato e visto, la teoria dell'informatica quantistica è ampia e promettente, eppure c'è ancora il piccolo dettaglio di costruire effettivamente un computer quantistico.

A differenza dei computer classici in cui il transistor è stato il mezzo universale per implementare circuiti e gestire le informazioni sui bit, è un dato di fatto che finora non esiste un migliore equivalente quantistico.

Ci sono molti approcci diversi a questo problema, ognuno unico e ciascuno con vantaggi e svantaggi. Oltre ad affrontare le sfide su come rappresentare gli stati quantistici, la costruzione di computer quantistici richiede che quegli stati:

• siano sufficientemente stabili da poter essere utilizzati e misurati
• consentano l'entanglement tra i qubit
• consentano una facile configurazione e replica degli esperimenti

IMPLEMENTAZIONE DI UN QUBIT

L'elemento atomico (letteralmente) dei computer quantistici può essere implementato in vari modi. I più comunemente usati sono:

• Atomi ionizzati individuali: trappole ioniche, laser ottico per intrappolare (isolare) gli ioni e utilizzare i livelli di energia dei loro elettroni
• Circuiti elettronici superconduttori: circuiti raffreddati a temperature estremamente basse in modo che si verifichi un comportamento armonico
• Spin qubit: controllare l'orientamento quantizzato degli elettroni
• Fotoni: può essere utilizzato in molti modi per ottenere un'implementazione qubit (spesso coinvolgendo altre particelle)

DECOERENZA QUANTISTICA

Oltre a essere in grado di costruire l'ambiente sperimentale per intrappolare gli ioni o misurare i valori di spin, un problema comune alla maggior parte delle implementazioni di qubit è quello della decoerenza quantistica.

Questo fenomeno descrive l'impatto dell'interferenza esterna sugli stati quantistici, in pratica il perfetto isolamento di questi sistemi è estremamente arduo da ottenere e quindi ci sono sempre componenti che interferiscono, tra cui: altri atomi o elettroni, campi magnetici, fluttuazioni di energia... e quindi la coerenza del qubit, una proprietà necessaria per il calcolo quantistico per funzionare, decade con facilità.

Il problema è che più qubit ci sono in un sistema, più difficile è garantire lo stato di perfezione della giusta quantità di interferenza per consentire altri fenomeni come l'entanglement e per prevenire disturbi indesiderati del sistema quantistico.

CORREZIONE DEGLI ERRORI QUANTISTICI

Come ogni problema richiede una soluzione, così la decoerenza quantistica si traduce in un altro campo del calcolo quantistico, la correzione degli errori quantistici, un campo di studio molto attivo e diffuso e affronta non solo la decoerenza, ma anche il rumore (errori derivanti da altri fattori sperimentali come gli strumenti).

Anche l'informatica dei computer classici ha anche a che fare con gli errori nella gestione delle informazioni e nella comunicazione e la correzione quantistica degli errori può essere vista come l'analoga del calcolo quantistico. Invece di gestire la qualità dell'implementazione dei qubit, si sofferma sulle idee di identificazione e correzione degli errori, includendo anche l'analisi dei gate specifici.

PUNTO DI VISTA INDUSTRIALE - LA CORSA QUANTISTICA

Ci sono molti concorrenti in questa metaforica corsa, che coinvolge non solo i giganti della tecnologia ma anche molte rappresentative istituzioni accademiche.

Si comincia dai giganti della tecnologia: IBM, Intel, Google, Microsoft sono solo alcune aziende che hanno dipartimenti di ricerca e sviluppo attivi il cui unico scopo è creare il migliore e più grande computer quantistico.

IBM aveva sviluppato un computer quantistico da 50 qubit nel e ci sono alcune voci sul sorpasso della soglia dei 100 qubit entro la fine del 2021 e quella dei 1000 qubit per il 2023. Ha reso inoltre disponibile al pubblico (come già visto nei precedenti articoli) alcuni computer quantistici con un massimo di 14 qubit e alcuni con 20 qubit a noleggio, oltre a alla piattaforma Qiskit (IBM Qiskit)

Intel ha adottato un approccio più diffuso e ha viaggiato per il mondo alla ricerca di luoghi in cui investire, uno dei più promettenti è QuTech a Delft attualmente con un processore a 49 qubit e stanno già viaggiando per i 128 qubit.

Microsoft ha affermato di avere qubit topologici e sta cercando di creare un servizio di informatica quantistica tramite Azure. Si sono anche fatti avanti con un Quantum Development Kit (QDK Microsoft)

Google, dopo il Sycamore a 53 qubit, ha rilasciato dal 2018 Bristlecone, un processore da 70 qubit. Ha inoltre avviato un ampio ramo di Google AI dedicato alla ricerca quantistica, insieme a richieste secretate per nuovi algoritmi di apprendimento automatico che girano su computer quantistici.

Nel recente Dicembre 2020, la Cina (che sta spendendo miliardi di dollari per essere sulla frontiera della corsa alla quantistica) con il computer Jiuzhang, basato sulle particelle di luce (fotoni), a poco più di un anno della supremazia quantistica raggiunta dagli stati uniti, elabora 10 miliardi di volte più velocemente del Sycamore di Google.

La D-Wave Systems, una società esclusivamente quantistica, a partire dal 2018, vende processori da 2000 qubit basate sul Quantum Annealing, specializzati per problemi di ottimizzazione. Questo sembra un numero molto elevato, ma la quantità non corrisponde alla qualità e c'è dello scetticismo di fondo su quanto affermano.

Quando Edward Snowden fece trapelare informazioni sull'NSA, uno dei contenuti di quei documenti era quello di un progetto segreto chiamato Penetrating Hard Targets il cui scopo era costruire un computer quantistico in grado di spezzare gli attuali meccanismi di crittografia. Lo stato attuale del progetto non è noto.

L'Unione Europea ha annunciato un programma di finanziamento decennale di oltre un miliardo di euro per la ricerca nelle tecnologie quantistiche (Quantum Flagship Initiative).

La posta in gioco è quindi incalcolabile perché le tecnologie quantistiche rappresentano un ottimo strumento ma anche una grande arma, se c'è una sola entità che se ne occupa. Quindi, si stanno compiendo sforzi globali per rendere questa una tecnologia del mondo.