Giorno dopo giorno, il quantum computing sta trasformandosi in tecnologia con un grado di usabilità crescente. Uno strumento sempre più potente, che porta in sé un radicale cambio di paradigma rispetto al computing classico. Il quantum computing permette di affrontare con un approccio rivoluzionario le immense sfide scientifiche dei nostri tempi, risolvendo problemi complessi, non indirizzabili dai normali computer. Può aiutare ad analizzare molecole molto più grandi, per sviluppare nuovi farmaci e vaccini; contribuire alla progettazione di materiali innovativi, o migliorare la comprensione dei processi catalitici in grado d’incidere sulla mitigazione dei cambiamenti climatici. Ma il quantum computing può fornire risposte migliori, risolvere problemi e supportare nuove applicazioni anche nel mondo business, ad esempio in campo finanziario.
Queste, a grandi linee, solo alcune prospettive, entusiasmanti, illustrate dalla viva voce del fisico Heike Riel, IBM Fellow, Head Science & Technology, Lead IBM Research Quantum Europe. La scienziata parla in collegamento da un laboratorio di IBM Research Europe a Zurigo, rispondendo alle domande di Katia Moskvitch, IBM Research Chief Writer & Editorial Lead, in un incontro pubblico sul web, organizzato i primi di febbraio e intitolato Building our quantum future: Are we ready for quantum computing.
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Computer quantistico: visto da vicino
Obiettivo dell’incontro, al laboratorio IBM Research di Zurigo, mostrare da vicino cos’è un computer quantistico e com’è fatto, illustrando alcuni suoi componenti, ed anche fornire un quadro aggiornato dello stato dell’arte della tecnologia e dei possibili campi d’adozione dei computer quantistici: soprattutto, nel contesto dell’annuncio a febbraio, da parte di IBM, di un nuovo, fondamentale passo di miglioramento, lungo la roadmap di sviluppo, a livello hardware e software, che sta portando verso macchine sempre più veloci e potenti.
In particolare, rispetto all’annuncio del 15 settembre 2020 sulla definizione della roadmap di sviluppo hardware che dovrebbe portare, per la fine del 2023, all’IBM Quantum Condor, un processore quantistico in grado di superare i 1.000 qubit (1.121 qubit), l’annuncio del 4 febbraio 2021 riguarda un progresso nella roadmap di sviluppo software. Quest’anno, infatti, IBM ha in programma di rilasciare il Qiskit runtime, un “ambiente di esecuzione” in grado d’incrementare la capacità di gestire più circuiti a una velocità mai prima raggiunta, e di memorizzare programmi quantistici, che poi possono essere eseguiti da vari utenti ‘as a service’. Il Qiskit runtime, spiega IBM, ripensa il il carico di lavoro quantistico classico, caricando ed eseguendo i programmi su hardware tradizionale, connesso accanto all’hardware quantistico, in modo da ridurre drasticamente le latenze che si manifestano nella comunicazione tra il computer dell’utente e il processore quantistico. Questi miglioramenti, secondo IBM, condurranno a raggiungere una velocità 100 volte superiore nei carichi di lavoro che sfruttano l’esecuzione iterativa dei circuiti, permettendo ai sistemi quantistici di IBM di espletare in poche ore elaborazioni che oggi possono richiedere mesi.
Computazione quantistica e decoerenza
Nel laboratorio di IBM Research, Heike Riel mostra alle proprie spalle il ‘dilution refrigerator’, il refrigeratore a diluizione, chiamato anche “fridge”, utilizzato per raffreddare i processori quantistici a una temperatura molto bassa, dell’ordine dei 10 millikelvin, e prossima allo zero assoluto (0 kelvin, pari a -273,15 °C). “È questa – precisa Riel – la temperatura necessaria per raffreddare i quantum processor. Si tratta di una temperatura più bassa di quella esistente nello spazio, e ciò dà un’idea della tecnologia richiesta”. La creazione di un ambiente a temperatura così ridotta, basso rumore ed elevato isolamento, serve infatti a preservare i qubit nel loro stato superconduttivo, minimizzando i fenomeni di decoerenza che, mutando in maniera incontrollata gli stati quantici, turberebbero il corretto funzionamento del sistema, portando alla generazione di errori e perdite di dati nel computer quantistico.
A destra del refrigeratore a diluizione, Riel indica poi la strumentazione elettronica classica con gli apparati collegati, che permettono di comunicare con il processore quantistico. Per riuscire a controllare i risultati dei calcoli e leggere i qubit, situati nello stadio del refrigeratore a diluizione a temperatura base, vengono usati segnali a microonde, che consentono la comunicazione tra i qubit e l’elettronica convenzionale, che li controlla funzionando a temperatura ambiente. Tali segnali sono trasportati attraverso linee di input/output, che attraversano il refrigeratore a diluizione e sono ideate per minimizzare l’esposizione dei qubit al rumore.
Dal bit al qubit
Rispondendo a una domanda sul perché la nuova generazione di computer abbia un aspetto così singolare e futuristico, Riel spiega una differenza fondamentale: mentre i classici computer utilizzano i noti bit, che possono assumere solo valori “zero” o “uno” e codificano ed elaborano l’informazione su tale base, il computer quantistico per eseguire i calcoli sfrutta una fisica differente, e, in particolare, proprietà della meccanica quantistica, come la sovrapposizione, l’interferenza, l’entanglement, che permettono ai qubit di essere “zero” o “uno”, ma anche qualsiasi altro stato intermedio tra questi due stati. Tale comportamento dei qubit consente quindi agli ingegneri di accedere a uno spazio computazionale esponenzialmente più ampio, rispetto a quello dei computer convenzionali.
Ma i computer quantistici si possono già usare oggi normalmente? “Sì – risponde Riel -. Facendo il login da un normale computer, tramite il cloud IBM è possibile accedere al computer quantistico per eseguire algoritmi quantistici. Negli ultimi quattro anni la qualità della computazione è aumentata, dunque questi sistemi non sono solo qualcosa che teniamo qui in laboratorio, ma stanno realmente migrando all’interno dei datacenter, dove poi vengono utilizzati come dispositivi attraverso il cloud”. Per cosa possono essere utilizzati? “Si usano quando la natura della meccanica quantistica può essere utile, ad esempio, per risolvere problemi matematici in cui la complessità del calcolo cresce esponenzialmente con il numero di parametri in gioco. E questo può essere il caso dei processi di analisi e sviluppo di nuovi materiali, o di nuove molecole, che non possono essere elaborate con i classici computer. Invece, i quantum computer, sfruttando intrinsecamente la meccanica quantistica, rappresentano uno strumento molto migliore per calcolare le proprietà delle molecole in maniera precisa, e per esser in grado di sviluppare nuove molecole o materiali”.
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