La corsa alla supremazia dei computer quantistici / The race to the supremacy of quantum computers

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Due tecnologie per questi calcolatori avveniristici potrebbero essere sul punto di superare anche i più potenti computer digitali entro un anno o poco di più, tuttavia le sfide chiave sono ancora irrisolte.

Da molto tempo gli scienziati sognano di sviluppare computer quantistici, macchine che si basano sulle arcane leggi della fisica per eseguire compiti ben oltre la capacità dei più potenti supercomputer di oggi. Queste macchine, in teoria, potrebbero creare modelli matematici troppo complessi per i computer standard, ampliando notevolmente la gamma e la precisione delle previsioni meteorologiche o le previsioni del mercato finanziario, tra le altre cose. Potrebbero simulare processi fisici, come la fotosintesi, aprendo nuove frontiere nel campo dell'energia pulita. Il calcolo quantistico potrebbe dare un impulso anche all'intelligenza artificiale, portandola a un livello di sofisticazione di gran lunga più elevato: se Watson dell'IBM può vincere a Jeopardy!, e fare alcune diagnosi mediche, immaginate che cosa potrebbe fare una versione enormemente più intelligente.

Ma per realizzare queste visioni, gli scienziati devono prima capire come costruire un computer quantistico in grado di eseguire qualcosa di più che le operazioni più semplici. Ora sono più vicini che mai a questo obiettivo: lo scorso maggio IBM ha presentato il più complesso sistema quantistico realizzato finora e Google dice di essere sulla buona strada per presentare entro quest'anno il cosiddetto processore "quantum supremacy", dotato di capacità che nessun computer tradizionale può avere.

I piccoli sistemi esistono, ma i prossimi passi nella corsa per renderli più grandi dovranno 

stabilire se i computer quantistici sono in grado di sfruttare il loro potenziale. Scienziati e operatori del settore sono concentrati in gran parte su due approcci tra loro alternativi. Il primo raffredda circuiti vicino -273,15° Celsius, lo zero assoluto, trasformandoli in superconduttori, in cui la corrente scorre praticamente senza resistenza. L'altra si basa su ioni intrappolati, atomi di itterbio carichi, elemento delle terre rare, tenuti in posizione in una camera a vuoto da raggi laser e manipolati da altri laser. Le cariche oscillanti (sia nei circuiti sia negli ioni intrappolati) funzionano come bit quantistici, o "qubit", che possono essere sfruttati per effettuare le operazioni del computer.

Salti quantistici
Il trucco in entrambi gli approcci è capire come passare dai sistemi già disponibili – contenenti solo pochi qubit – a quelli in grado di gestire le centinaia o migliaia di qubit richiesti per il tipo di progresso che questa tecnologia quantistica sembra promettere. L'anno scorso IBM, tramite il suo portale cloud, ha messo a disposizione di sviluppatori, ricercatori e programmatori un processore quantistico a cinque qubit per la sperimentazione. L'azienda ha fatto notevoli progressi da allora, rivelando a maggio di aver aggiornato il proprio computer quantistico basato su cloud ottenendo un processore a 16-qubit e di aver realizzato un processore a 17-qubit più strettamente ingegnerizzato che potrebbe essere la base per sistemi commerciali. Entrambi sono basati sui circuiti superconduttori, come nel caso del processore da 20-qubit di Google, che l'azienda ha annunciato in una conferenza a Monaco di Baviera, in Germania, il 22 giugno. Alan Ho, ingegnere del Quantum Artificial Intelligence Lab di Google, ha detto alla conferenza che la sua azienda prevede di raggiungere la supremazia quantistica con un chip a 49-qubit entro la fine di quest'anno.

Questi numeri possono no sembrare impressionanti. Ma un qbit è molto più potente rispetto al tipo di bit che rappresenta la più piccola unita di dati in un computer convenzionale. I bit sono basati su un flusso di corrente elettrica, e costituiscono il linguaggio digitale in cui tutte le funzioni di calcolo: "off" significa 0 e "on" significa 1, e questi due stati codificano tutte le operazioni del computer. I qubit, tuttavia, non si basano su interruttori elettrici "sì/no", ma piuttosto sulle proprietà quantistiche di una particella, come la direzione in cui punta lo spin di un elettrone. E nel mondo quantistico una particella può esistere contemporaneamente in una varietà di stati più complessa del semplice on/off, grazie a un fenomeno noto come sovrapposizione. "Puoi avere testa, puoi avere croce, ma anche una qualsiasi sovrapposizione pesata di questi due stati: per esempio, un 70 per cento testa e 30 per cento croce", dice Christopher Monroe, fisico dell'Università del Maryland a College Park,  fondatore di IonQ, una start-up che lavora alla realizzazione di un computer quantistico con ioni intrappolati.

La capacità più che binaria di occupare stati multipli in una sola volta permette ai qubit di eseguire molti calcoli simultaneamente, aumentando enormemente la potenza di calcolo. Questa potenza cresce esponenzialmente con il numero di qubit. Così intorno a 49 o 50 qubit i computer quantistici raggiungono l'equivalente di circa 10 quadrilioni di bit e diventano capaci di calcoli impossibili per i computer classici, spiega John Preskill, fisico teorico del California Institute of Technology. "Ma se possano anche fare cose utili è una questione diversa", sottolinea.

Sia i circuiti superconduttori sia gli ioni intrappolati hanno buone probabilità di raggiungere questa soglia della cinquantina di qubit, dice Jerry Chow, direttore del J. Watson Research Center di Yorktown Heights, nello Stato di New York, divisione di computazione quantistica sperimentale dell'IBM. Normalmente si potrebbe pensare che più qubit significhino più potenza, ma Chow sottolinea "che non è esattamente così per il numero di qubit". È più concentrato sul numero e sulla qualità dei calcoli che la macchina può eseguire, una metrica che definisce "volume quantistico". Questo include ulteriori fattori, come per esempio la velocità con cui i qubit possono eseguire i calcoli e quanto bene evitano o correggono gli errori che possono verificarsi. Alcuni di questi fattori possono lavorare uno contro l'altro: aggiungere più qubit, per esempio, può aumentare il tasso di errore mentre l'informazione passa da un qubit all'altro. "Come comunità dovremmo tutti concentrarci, non importa se stiamo lavorando su qubit a superconduttori o a ioni intrappolati o a qualsiasi altra cosa, per spingere questo volume quantistico sempre più in là, in modo da poter realizzare processori sempre più potenti e fare cose che non avremmo mai pensato di fare", dice Chow.

Migliore, non più grande

Monroe recentemente ha confrontato il suo sistema a ione intrappolato da cinque qubit con un processore da cinque qubit dell'IBM eseguendo gli stessi semplici algoritmi su entrambi, e ha trovato prestazioni simili. La differenza più grande, dice, è che gli ioni intrappolati sono tutti collegati tra loro tramite forze elettromagnetiche: un'oscillazione di uno ione di una serie di 30, e ogni altro ione reagirebbe, rendendo più semplice e accurato il passaggio d'informazione tra di loro. Nel circuito superconduttore solo alcuni qubit sono connessi, il che rende il passaggio di informazioni un processo più lento che può introdurre errori.

Uno dei vantaggi dei circuiti superconduttori è che sono facili da costruire usando gli stessi processi con cui si fanno i chip per computer. Eseguono operazioni logiche di base di un computer – cioè aggiungere, sottrarre o manipolare i bit in altro modo – in miliardesimi di secondo. D'altra parte, in questo tipo di sistema quantistico i qubit conservano il loro stato quantistico solo per millisecondi (millesimi di secondo): perciò qualsiasi operazione dev'essere completata in quel lasso di tempo.

Gli ioni intrappolati, al contrario, mantengono i loro stati quantistici per molti secondi, a volte anche per minuti od ore. Ma le porte logiche in questo sistema funzionano a un ritmo circa 1000 volte più lento rispetto al calcolo quantistico basato su superconduttori. Tale riduzione di velocità probabilmente non influisce su singole operazioni con pochi qubit, dice Monroe. Ma potrebbe diventare un problema se si volesse ottenere una risposta in un ragionevole lasso di tempo quando il numero di qubit aumenta. Per i qubit a superconduttore, l'aumento di numero può significare un problema di collegamento.

L'incremento del numero di qubit, qualunque tecnologia si stia usando, rende più difficile il loro collegamento e la loro manipolazione, perché ciò dev'essere fatto mentre sono mantenuti isolati dal resto del mondo, in modo che conservino i loro stati quantistici. Quanti più atomi o elettroni sono raggruppati in gran numero, tanto più le regole della fisica classica prendono il sopravvento e tanto meno significative diventano le proprietà quantistiche degli atomi individuali per come l'intero sistema si comporta. "Quando un sistema quantistico viene espanso, diventa meno quantistico", dice Monroe.

Chow pensa che i computer quantistici diventeranno abbastanza potenti da farà qualcosa di più rispetto ai computer classici – forse una simulazione di chimica quantistica – entro cinque anni. Monroe dice che è ragionevole aspettarsi sistemi contenenti alcune migliaia di qubit entro un decennio o giù di lì. In una certa misura, dice Monroe, i ricercatori non sapranno che cosa saranno in grado di fare con questi sistemi fino a quando non capiranno come costruirli.

Preskill, che ha 64 anni, dice di pensare di vivere abbastanza a lungo per vedere i computer quantistici produrre un impatto sulla società simile a quello che hanno avuto Internet e lo smartphone, anche se non può prevedere esattamente quale sarà tale impatto. "Questi sistemi quantistici parlano una lingua che i sistemi digitali non conoscono", dice. "Sappiamo dalla storia che non abbiamo la fantasia sufficiente per prevedere dove ci possano portare le nuove tecnologie dell'informazione".

ENGLISH

Two technologies for these futuristic computers may be about to overcome even the most powerful digital computers within a year or so, but key challenges are still unresolved.

For a long time scientists dream of developing quantum computers, machines that rely on the arcane laws of physics to perform tasks far beyond the capabilities of the most powerful supercomputers of today. These machines, in theory, could create too complex mathematical models for standard computers, greatly expanding the range and accuracy of weather forecasts or financial market forecasts, among other things. They could simulate physical processes such as photosynthesis, opening up new frontiers in the field of clean energy. The quantum calculation could also impulse artificial intelligence, bringing it to a far higher level of sophistication: if IBM's Watson can win at Jeopardy !, and do some medical diagnoses, imagine what could make a huge version smarter.

But to realize these visions, scientists must first understand how to build a quantum computer that can do something more than simpler operations. Now they are closer than ever to this: last May, IBM presented the most complex quantum system achieved so far and Google says it is on the right track to present this year the so-called "quantum supremacy" processor, equipped with capabilities that no Traditional computer can have.

Small systems exist, but the next steps in the race to make them bigger will have to

Determine whether quantum computers are able to exploit their potential. Scientists and practitioners in the industry are largely focused on two alternative approaches. The first cools circuits near -273.15 ° Celsius, absolute zero, transforming them into superconductors, where the current flows virtually without resistance. The other is based on trapped ions, irradiated cargo atoms, rare earth elements, held in place in a vacuumless room by laser beams and manipulated by other lasers. The oscillating charges (both in circuits and trapped ions) function as quantum bits, or "qubit", which can be exploited to carry out computer operations.

Quantum Leaps

The trick in both approaches is to understand how to switch from existing systems - containing only a few qubit - to those who can handle the hundreds or thousands of qubit required for the kind of progress that this quantum technology seems to promise. Last year, IBM, through its cloud portal, has provided developers, researchers and programmers with a quintile quantum processor for experimentation. The company has made significant progress since, revealing in May that it has upgraded its cloud-based quantum computer by obtaining a 16-qubit processor and having built up a more engineered 17-qubit processor that could be the basis for systems commercial. Both are based on superconducting circuits, as in the case of Google's 20-qubit processor, which the company announced at a conference in Munich, Germany on June 22nd. Alan Ho, an engineer at Google's Quantum Artificial Intelligence Lab, told the conference that her company plans to reach quantum supremacy with a 49-qubit chip by the end of this year.

These numbers may not seem impressive. But a qbit is much more powerful than the bit type that represents the smallest unit of data in a conventional computer. The bits are based on an electrical current flow, and they are the digital language in which all computing functions: "off" means 0 and "on" means 1, and these two states encode all computer operations. Qubit, however, are not based on "yes / no" electrical switches, but rather on the quantum properties of a particle, such as the direction in which the spin of an electron is pointing. And in the quantum world, a particle can exist simultaneously in a variety of more complex states of simple on / off, thanks to a phenomenon known as overlapping. "You can have a head, you can have a cross, but also any weighed overlapping of these two states: for example, a 70 percent head and 30 percent cross," says Christopher Monroe, physicist at the University of Maryland at College Park, founder Of IonQ, a start-up that works on the creation of a quantum computer with trapped ions.

More than binary capacity to occupy multiple states at one time allows qubit to perform many calculations simultaneously, greatly increasing the computing power. This power increases exponentially with the qubit number. So around 49 or 50 qubit, quantum computers reach the equivalent of about 10 quadrilijs of bits and become capable of calculations impossible for classical computers, explains John Preskill, theoretical physicist of the California Institute of Technology. "But if they can do useful things is a different matter," he points out.

Both superconducting circuits and trapped ions are likely to reach this fifty-qubit threshold, says Jerry Chow, director of J. Watson Research Center at Yorktown Heights, in the state of New York, IBM's experimental quantum computation division. Normally one might think that more qubit means more power, but Chow points out "that's not exactly the qubit number". It is more focused on the number and quality of calculations that the machine can perform, a metric that defines "quantum volume". This includes additional factors, such as the speed with which qubit can perform calculations, and how well they avoid or correct errors that may occur. Some of these factors can work against each other: Adding more qubit, for example, can increase the error rate while information goes from one qubit to the next. "As a community we should all focus, no matter if we are working on qubit superconductors or trapped ions or anything else, to push this quantum volume ever further, so that we can make more powerful processors and do things we would never Thought to do, "says Chow.

Better, not bigger

Monroe recently compared its five-qubit trapped system with a five-qubit IBM processor running the same simple algorithms on both, and found similar performance. The biggest difference, he says, is that trapped ions are all interconnected by electromagnetic forces: an ion swing of a series of 30, and any other ion would react, making it easier and more accurate to pass the information between of them. In the superconductor circuit only a few qubit are connected, which makes the process of passing a process slower that can introduce errors.

One of the advantages of superconducting circuits is that they are easy to build using the same processes as making computer chips. They do basic computer logic operations - that is, add, subtract, or manipulate bits in other ways - in billions of seconds. On the other hand, in this type of quantum system, qubits retain their quantum state only for milliseconds (milliseconds), so any operation must be completed within that time frame.

The trapped ions, on the contrary, keep their quantum states for many seconds, sometimes even for minutes or hours. But logic ports in this system work at a rate of about 1000 times slower than superconducting quantum calculations. This speed reduction probably does not affect single operations with a few qubit, says Monroe. But it could become a problem if you wanted to get an answer in a reasonable amount of time when the qubit number increases. For superconducting qubit, the number increase may be a connection problem.

The increase in the qubit number, whatever technology is being used, makes it more difficult to connect and manipulate them, because this must be done while they are kept isolated from the rest of the world, so that they retain their quantum states. The more many atoms or electrons are grouped in large numbers, the more the rules of classical physics take over and even less significant become the quantum properties of individual atoms as the whole system behaves. "When a quantum system is expanded, it becomes less quantum," says Monroe.

Chow thinks quantum computers will become powerful enough to do something more than classic computers - perhaps a quantum chemistry simulation - within five years. Monroe says that it is reasonable to expect systems containing some thousands of qubit within a decade or so. To some extent, says Monroe, the researchers will not know what they will be able to do with these systems until they understand how to build them.

Preskill, who is 64, says he thinks he is living long enough to see quantum computers have an impact on a company similar to what they have had on the Internet and the smartphone, although he can not predict exactly what that impact will be. "These quantum systems speak a language that digital systems do not know," he says. "We know in the story that we do not have the imagination enough to predict where the new information technologies can bring us."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/07/08/news/computer_quantistico_competizione_supremazia-3596098/?ref=nl-Le-Scienze_14-07-2017&refresh_ce