Una delle principali sfide scientifiche del nostro tempo è la corsa per la creazione del primo computer quantistico utile. In essa partecipano migliaia di fisici e ingegneri. I loro concetti sono sviluppati da IBM, Google, Alibaba, Microsoft e Intel. Come cambierà il nostro mondo un dispositivo di calcolo così potente e perché è così importante?
Immaginate per un momento: un computer quantistico pienamente funzionante è stato creato. È diventato un elemento comune e naturale della nostra vita. Ora si parla di calcoli classici solo a scuola, nelle ore di storia. Da qualche parte, in fredde cantine, potenti macchine operano cubiti per supportare il lavoro di robot dotati di intelligenza artificiale. Eseguono tutte le mansioni pericolose e semplicemente monotone. Passeggiando nel parco, guardate intorno e vedete ogni sorta di robot. Esseri umanoidi portano a spasso i cani, vendono gelati, riparano impianti elettrici, spazzano il terreno. Alcuni modelli sostituiscono gli animali domestici.
Abbiamo ottenuto la possibilità di svelare tutti i misteri dell'Universo e di guardare dentro noi stessi. La medicina ha raggiunto un nuovo livello: nuovi farmaci innovativi vengono sviluppati ogni settimana. Possiamo prevedere e determinare dove si trovano risorse scarse come gas e petrolio. È stata risolta la questione del riscaldamento globale, ottimizzati i metodi di risparmio energetico, e nelle città non ci sono più ingorghi. Il computer quantistico non solo gestisce tutte le macchine robotizzate, ma assicura anche un traffico fluido: monitora la situazione sulle strade, corregge i percorsi e subentra al controllo degli automobilisti in caso di necessità. Ecco come potrebbe apparire l'era quantistica.
La corsa all'oro quantistico
Le prospettive di applicazione sono sbalorditive, quindi gli investimenti nello sviluppo quantistico aumentano ogni anno. Il mercato globale del calcolo quantistico è stato valutato a 81,6 milioni di dollari nel 2018. Gli esperti di Market.us prevedono che entro il 2026 raggiungerà i 381,6 milioni di dollari. Ovvero, crescerà in media del 21,26% all'anno dal 2019 al 2026.
Questa crescita è stimolata dall'uso crescente della crittografia quantistica nelle applicazioni di sicurezza ed è sostenuta dagli investimenti dei soggetti interessati nel mercato del calcolo quantistico. All'inizio di quest'anno, secondo un'analisi della rivista scientifica Nature, gli investitori privati hanno finanziato almeno 52 aziende nel settore delle tecnologie quantistiche in tutto il mondo. Grandi attori come IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel e D-Wave Systems stanno lavorando per realizzare computer quantistici praticamente utilizzabili.
Sì, finora i fondi che affluiscono in questo settore annualmente rappresentano spese relativamente contenute (per fare un confronto: nel 2018 gli investimenti nell'IA hanno raggiunto i 9,3 miliardi di dollari). Ma queste cifre sono significative per un settore ancora immature che non può vantare indicatori di efficienza.
Risoluzione di problemi quantistici
È importante capire che al giorno d'oggi la tecnologia è ancora nelle fasi iniziali. Sono stati realizzati solo prototipi di macchine quantistiche, pochi sistemi sperimentali. Queste sono capaci di eseguire algoritmi fissi di complessità limitata. Il primo computer a 2 qubit è stato creato nel 1998, e l'umanità ha impiegato 21 anni per portare i dispositivi a un livello adeguato, quello che viene definito 'superiorità quantistica'. Questo termine è stato introdotto dal professor John Preskill del California Institute of Technology. Significa la capacità dei dispositivi quantistici di risolvere problemi più rapidamente dei computer classici più potenti.
Un'importante svolta in questo campo è stata realizzata dalla compagnia californiana Google. A settembre 2019, la corporazione ha dichiarato che il loro dispositivo Sycamore a 53 qubit ha completato un calcolo in 200 secondi, un'operazione che richiederebbe 10.000 anni al supercomputer più avanzato. Questa affermazione ha suscitato molte controversie. In IBM hanno categoricamente contestato questi calcoli. Nel loro blog, la compagnia ha scritto che il loro supercomputer Summit può affrontare tale compito in 2,5 giorni. E tutto ciò che serve è aumentare la capacità di archiviazione. Anche se nella realtà la differenza non è risultata così colossale, Google ha effettivamente raggiunto per prima il “vantaggio quantistico”. E questo rappresenta una tappa importante nella ricerca informatica. Ma non oltre. L'impresa di Sycamore ha un carattere esclusivamente dimostrativo. Non ha applicazioni pratiche ed è inutile per risolvere problemi concreti.
Il problema principale riguarda l'hardware. Se i tradizionali bit di calcolo hanno un valore di 0 o 1, in questo strano mondo quantistico i qubit possono trovarsi in entrambi gli stati simultaneamente. Questa caratteristica è conosciuta come sovrapposizione. I qubit assomigliano a topi in rotazione: girano simultaneamente sia in senso orario che antiorario, muovendosi su e giù. Se trovi tutto questo confuso, sei in ottima compagnia. Richard Feynman una volta disse: “Se pensi di comprendere la meccanica quantistica, significa che non la comprendi”. Parole audaci da parte di un uomo che ha ricevuto il premio Nobel per... la meccanica quantistica.
Quindi, i qubit sono estremamente instabili e soggetti a influenze esterne. Un'auto che passa sotto le finestre del laboratorio, il rumore interno del sistema di raffreddamento, una particella cosmica che sfreccia — qualsiasi interferenza casuale, qualsiasi interazione interrompe la loro sincronia e si decoescono. Questo è fatale per i calcoli.
La questione chiave per lo sviluppo dell'informatica quantistica è quale soluzione hardware tra le molte studiate garantirà la stabilità dei qubit. Colui che risolverà il problema dell'interruzione della coerenza e renderà i computer quantistici comuni quanto le schede grafiche otterrà il premio Nobel e diventerà la persona più ricca al mondo.
La strada verso la commercializzazione
Nel 2011, la compagnia canadese D-Wave Systems Inc. è stata la prima a vendere computer quantistici, sebbene la loro utilità sia limitata a determinate problematiche matematiche. Nei prossimi mesi, milioni di sviluppatori potranno iniziare a utilizzare i processori quantistici tramite il cloud: IBM promette di fornire accesso al suo dispositivo a 53 qubit. Finora, 20 aziende hanno ottenuto tale privilegio tramite un programma chiamato Q Network. Tra esse vi sono il produttore di elettronica Samsung Electronics, i costruttori di automobili Honda Motor e Daimler, le aziende chimiche JSR e Nagase, e le banche JPMorgan Chase & Co. e Barclays.
La maggior parte delle aziende che oggi sperimentano con il calcolo quantistico lo considerano una parte integrante del futuro. La loro missione principale è scoprire cosa funziona nel calcolo quantistico e cosa no. E devono essere pronte ad adottare per prime la tecnologia nel business quando sarà pronta.
Organizzazioni di trasporto. Volkswagen, in collaborazione con D-Wave, sta sviluppando un'applicazione quantistica: un sistema di gestione del traffico. Il nuovo programma permetterà alle organizzazioni di trasporto pubblico e alle compagnie di taxi nelle grandi città di utilizzare il proprio parco auto in modo più efficace e ridurre i tempi d'attesa per i passeggeri.
Settore energetico. ExxonMobil e IBM promuovono l'applicazione del calcolo quantistico nell'energia. Si concentrano sullo sviluppo di nuove tecnologie energetiche, sul miglioramento dell'efficienza energetica e sulla riduzione delle emissioni di gas serra. Le dimensioni e la complessità dei problemi che affronta il settore energetico vanno oltre le capacità dei computer tradizionali e si prestano bene ai test quantistici.
Aziende farmaceutiche. Accenture Labs collabora con 1QBit, una società di software quantistico. In soli 2 mesi, sono passati dalla ricerca alla verifica di concetti: applicazione di un'applicazione per la simulazione di interazioni molecolari complesse a livello atomico. Grazie alla potenza del calcolo quantistico, è emersa la possibilità di analizzare molecole più grandi. Cosa significa per la società? Farmaci innovativi con minori effetti collaterali.
Settore finanziario. Le tecnologie basate sui principi della teoria quantistica stanno attirando sempre più l'interesse delle banche. Sono interessate a elaborare transazioni, operazioni e altri tipi di dati il più rapidamente possibile. Barclays e JP Morgan Chase (con IBM) e NatWest (con Fujitsu) stanno già conducendo esperimenti per sviluppare software specializzato.
L'adozione da parte di grandi corporation e l'emergere di pionieri quantistici intraprendenti indicano la fattibilità commerciale del quantum. Stiamo già vedendo come i calcoli quantistici vengano applicati a problemi del mondo reale, dalla maggiore efficienza energetica all'ottimizzazione dei percorsi del trasporto su strada. E ciò che è importante, il valore della tecnologia crescerà man mano che si sviluppa.
Fonte: habr.com
