Il computer quantistico e D-Wave.

Il computer quantistico e D-Wave.

Il computer quantistico è un computer che sfrutta le leggi della fisica e della meccanica quantistica per l’elaborazione dei dati sfruttando come unità fondamentale il qubit, anziché l’unità fondamentale dei computer odierni, il bit.

Per comprendere come si è arrivati al computer quantistico bisogna risalire alla miniaturizzazione dei circuiti e alla Legge di Moore: dagli anni ’60 in poi si è assistito ad un progressivo aumento della potenza di calcolo dei computer, aumento che è andato di pari passo con la miniaturizzazione dei circuiti elettronici da cui ne è derivata la famosa Legge di Moore secondo la quale “la complessità di un microcircuito, misurata con il numero di transistor in un chip (processore), e la relativa velocità di calcolo raddoppia ogni 18 mesi”. Seguendo questa legge siamo giunti ad avere microchip integrati, ossia processori che integrano al loro interno una Cpu, una Gpu, un Digital Signal Processing, all’interno dei nostri smartphone. Una soglia che però oggi ha raggiunto i limiti della meccanica quantistica rendendo molto complesso (quasi impossibile) proseguire il percorso della miniaturizzazione unitamente all’aumento della densità dei transistor. Nasce così l’approccio teorico al computer quantistico che anziché modellato sui bit (binary digit), le unità di informazione che codificano due stati, aperto e chiuso (i cui valori, come accennato sono 1 e 0) di un interruttore, sfrutta quelli che vengono chiamati qubit, le unità dell’informazione quantistica che sono codificati non da 1 o 0 ma dallo stato quantistico in cui si trova una particella o un atomo che può avere contemporaneamente sia il valore 1 sia il valore 0. Una condizione che assume un significato incredibile se si pensa alla progressione matematica: 2 qubit possono avere 4 stati contemporaneamente, 4 qubit hanno 16 stati, 16 qubit hanno 256 stati e via dicendo.

Il funzionamento del computer quantistico si basa su due leggi della meccanica quantistica:

– il principio di sovrapposizione dal quale deriva, come abbiamo visto, la possibilità per le particelle di trovarsi contemporaneamente in più stati diversi (e quindi al qubit di poter essere sia 1 sia 0 simultaneamente, finché il suo stato non viene “letto” e quindi codificato);

– la correlazione quantistica (entanglement) che esprime il vincolo, la correlazione appunto, che c’è tra due particelle o due qubit; secondo questo principio, è possibile conoscere lo stato di una particella (o di un qubit) misurando l’altra con la quale ha il vincolo, processo che “trasportato” nell’informatica si traduce con una accelerazione dei processi di calcolo.

Per quanto riguarda il funzionamento del computer quantistico da un punto di vista pratico, ad oggi ci sono due approcci predominanti:

– il primo, attraverso il raffreddamento dei circuiti vicino al cosiddetto zero assoluto (0 Kelvin, corrispondente a -273,15 gradi Celsius) in modo che funzionino come superconduttori senza resistenze che interferiscano sulla corrente; in questo caso si parla di “punti quantici” per indicare una nanostruttura con materiale semiconduttore inserita in un altro semiconduttore con intervallo di energia più grande;

– il secondo metodo ricorre agli “ioni intrappolati”, un atomo o molecola con una carica elettrica “intrappolati” in campi elettromagnetici e manipolati affinché lo spostamento degli elettroni produca un cambiamento dello stato degli ioni e quindi possa funzionare da qubit;

Seguendo i principi della meccanica quantistica e sfruttando le leggi della fisica quantistica, il computer quantistico (o computer quantico) sfrutta dunque i qubit per eseguire calcoli complessi in parallelo ad una velocità inimmaginabile rispetto ad un supercomputer di oggi (impiegando secondi anziché anni). Come accennato, però, ci sono ancora alcuni limiti da superare tra cui la corretta manipolazione delle particelle (che sono volatili e fragili, proprio perché cambiano stato, e potrebbero quindi comportare perdita di dati e informazioni utili al processo di calcolo) nonché lo sviluppo di infrastrutture hardware idonee (oggi il raffreddamento dei sistemi richiede l’elio e le infrastrutture devono essere mantenute in ambienti privi di vibrazioni) e di algoritmi opportunamente sviluppati per il quantum computing.

 

SI CHIAMA D-Wave, appartiene a Google ed è ospitato allo Ames Research Center, di proprietà della Nasa. È uno degli oggetti più esclusivi, misteriosi e controversi al mondo. Si tratta di un computer quantistico, ovvero un dispositivo informatico che sfrutta i principi e le proprietà della meccanica quantistica, la branca della fisica moderna che descrive il comportamento di particelle microscopiche come fotoni, elettroni e quark. Dopo due anni di ricerca – Big G ha acquistato D-Wave nel 2013 e la sua versione aggiornata, D-Wave 2X, qualche mese fa – il colosso di Mountain View ha appena annunciato, in due articoli pubblicati sul Google Research Blog e su ArXiv che il proprio computer quantistico avrebbe risolto un problema matematico “100 milioni di volte più velocemente rispetto a quanto farebbe un computer ‘tradizionale'”. Un risultato niente male.

 

Credits:

Repubblica

Google Research Blog

AI4BUSINESS

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