Una delle principali sfide scientifiche del nostro tempo è la corsa per creare il primo computer quantistico utile. Migliaia di fisici e ingegneri sono coinvolti in questa competizione. I loro concetti sono sviluppati da IBM, Google, Alibaba, Microsoft e Intel. Come un potente dispositivo di elaborazione cambierà il nostro mondo, e perché è così importante?
Immaginate per un momento: un computer quantistico pienamente funzionante è stato creato. È diventato un elemento abituale e naturale della nostra vita. Ora si parla di calcoli classici solo a scuola, nelle ore di storia. Da qualche parte nei freddi sotterranei, potenti macchine operano con i qubit per supportare il funzionamento di robot dotati di intelligenza artificiale. Questi ultimi svolgono tutte le attività pericolose e semplicemente monotone. Passeggiando nel parco, guardate intorno e vedete vari robot. Esseri umanoidi portano a spasso i cani, vendono gelati, riparano i fili elettrici, spazzano il terreno. Alcuni modelli sostituiscono animali domestici.
Abbiamo avuto l'opportunità 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 identificare dove si trovano le risorse scarse, come gas e petrolio. Il problema del riscaldamento globale è stato risolto, i metodi di risparmio energetico sono stati ottimizzati e nelle città non ci sono più ingorghi. Il computer quantistico non solo gestisce tutte le macchine robotiche, ma garantisce anche un traffico fluido: monitora la situazione sulle strade, corregge i percorsi e prende il controllo dai conducenti in caso di necessità. Ecco come potrebbe apparire l'era quantistica.
Febbre dell'oro quantistico
Le prospettive di applicazione sono straordinarie, quindi gli investimenti nello sviluppo quantistico crescono 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 381,6 milioni di dollari. Ciò significa che 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 dovuta agli investimenti degli attori interessati nel mercato del calcolo quantistico. All'inizio di quest'anno, secondo un'analisi della rivista scientifica Nature, investitori privati hanno finanziato almeno 52 aziende nel campo delle tecnologie quantistiche in tutto il mondo. Grandi attori come IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel e D-Wave Systems sono al lavoro per creare un computer quantistico applicabile.
Sì, finora i fondi in entrata in questo settore rappresentano una spesa relativamente modesta (per confronto: nel 2018 gli investimenti nell'IA ammontavano a 9,3 miliardi di dollari). Ma queste cifre sono significative per un settore ancora immaturo, che non può ancora vantare indicatori di efficacia.
Risolvere problemi quantistici
È importante comprendere che al giorno d'oggi la tecnologia è ancora nelle fasi iniziali. Sono stati realizzati solo prototipi di macchine quantistiche, sistemi sperimentali singoli. Queste sono in grado di eseguire algoritmi fissi di bassa complessità. Il primo computer a 2 qubit è stato creato nel 1998, e all'umanità sono serviti 21 anni per portare i dispositivi al livello adeguato, il cosiddetto «vantaggio quantistico». Questo termine è stato coniato dal professor John Preskill del Caltech. Esso significa la capacità dei dispositivi quantistici di risolvere problemi più rapidamente dei più potenti computer classici.
Una svolta in questo campo è stata compiuta dalla società californiana Google. Nel settembre 2019, la corporation ha annunciato che il loro dispositivo a 53 qubit Sycamore ha completato un calcolo che al supercomputer più avanzato avrebbe richiesto 10.000 anni, in soli 200 secondi. Questa affermazione ha suscitato molte polemiche. In IBM hanno categoricamente contestato tali calcoli. Nel loro blog, l'azienda ha scritto che il loro supercomputer Summit sarebbe in grado di portare a termine un compito simile in 2,5 giorni. E tutto ciò che serve è un aumento della capacità di archiviazione dei dati. Anche se, in realtà, la differenza si è rivelata non così colossale, Google ha effettivamente raggiunto per prima il "superamento quantistico". Questo rappresenta una tappa importante nella ricerca informatica, ma non di più. L'impresa di Sycamore ha un carattere puramente dimostrativo. Non ha applicazioni pratiche ed è inutile per risolvere problemi reali.
Il problema principale è l'hardware. Se i bit classici possono essere 0 o 1, nel bizzarro mondo quantistico i qubit possono trovarsi in entrambi gli stati simultaneamente. Questa proprietà è conosciuta come sovrapposizione. I qubit sono simili a trottola che girano: ruotano contemporaneamente in senso orario e antiorario, si muovono su e giù. Se trovate tutto ciò confuso, siete in ottima compagnia. Richard Feynman una volta disse: "Se pensate di comprendere la meccanica quantistica, significa che non la comprendete." Parole audaci da parte di un uomo che ha ricevuto il Premio Nobel per... la meccanica quantistica.
Dunque, i qubit sono estremamente instabili e soggetti a perturbazioni esterne. Un'auto che passa sotto le finestre del laboratorio, il rumore interno del sistema di raffreddamento, una particella cosmica che vola — qualsiasi interferenza casuale, qualsiasi interazione compromette la loro sincronia e portano alla decoerenza. Questo è devastante per i calcoli.
La questione fondamentale per lo sviluppo dell'informatica quantistica è quale soluzione hardware tra quelle esplorate garantirà la stabilità dei qubit. Chi risolverà il problema della perdita di coerenza e renderà i computer quantistici comuni come le schede grafiche riceverà il Premio Nobel e diventerà la persona più ricca al mondo.
Il cammino verso la commercializzazione
Nel 2011, l'azienda 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 processori quantistici tramite cloud: IBM promette di fornire accesso al suo dispositivo da 53 qubit. Attualmente, 20 aziende hanno ottenuto questo privilegio nell'ambito del programma chiamato Q Network. Tra di esse ci sono il produttore di tecnologia Samsung Electronics, i produttori automobilistici 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 componente essenziale del futuro. La loro missione principale ora è scoprire cosa funziona nel calcolo quantistico e cosa no. E sono pronte a implementare per prime la tecnologia nel business, quando sarà pronta.
Organizzazioni di trasporto. Volkswagen, insieme a D-Wave, sta sviluppando un'applicazione quantistica — un sistema di gestione del traffico. Il nuovo programma permetterà alle organizzazioni di trasporto pubblico e alle aziende di taxi nelle grandi città di utilizzare il proprio parco auto in modo più efficiente e ridurre i tempi di attesa dei passeggeri.
Settore energetico. ExxonMobil e IBM stanno promuovendo l'uso del calcolo quantistico nell'energia. Si concentrano sullo sviluppo di nuove tecnologie energetiche, sull'aumento dell'efficienza energetica e sulla riduzione delle emissioni di gas serra. La scala e la complessità delle sfide che affronta il settore energetico superano le capacità dei moderni computer tradizionali e si adattano bene ai test quantistici.
Aziende farmaceutiche. Accenture Labs collabora con 1QBit, una società specializzata nello sviluppo di software quantistico. In soli 2 mesi, sono passati dalla ricerca alla verifica del concetto: applicazione di un'applicazione per la modellazione di interazioni molecolari complesse a livello atomico. Grazie alla potenza del calcolo quantistico, è possibile analizzare molecole più grandi. Cosa porterà questo alla società? Farmaci innovativi con minori effetti collaterali.
Settore finanziario. Le tecnologie basate sui principi della teoria quantistica stanno attirando sempre più l'attenzione delle banche. Sono interessate a elaborare transazioni, operazioni e altri tipi di dati nel minor tempo possibile. Barclays e JP Morgan Chase (in collaborazione con IBM), così come NatWest (con Fujitsu), stanno già conducendo esperimenti per sviluppare software specializzati.
L'accettazione da parte di grandi aziende e l'emergere di pionieri intraprendenti nel campo quantistico indicano la fattibilità commerciale del quantum. Stiamo già osservando come il calcolo quantistico venga applicato a sfide del mondo reale, dalla maggiore efficienza energetica all'ottimizzazione delle rotte per il trasporto. E ciò che è importante, il valore di questa tecnologia crescerà con il suo sviluppo.
Fonte: habr.com
