Dieci anni dopu nimu sà quandu

À una persona menu informata chì hà lettu un saccu di publicazioni nantu à l'urdinatori quantistici, si pò avè l'impressione chì si tratta di macchine "off-the-shelf" chì funzionanu cum'è l'urdinatori ordinali. Nunda puderia esse più sbagliatu. Qualchidunu crede ancu chì ùn ci hè micca un computer quantisticu. È altri si dumandanu per ciò chì seranu utilizati, postu chì ùn sò micca pensati per rimpiazzà i sistemi zero-one.

Spessu avemu intesu chì i primi computer quantistici veri è chì funzionanu bè appariscenu in circa una dicada. Tuttavia, cum'è Linley Gwennap, analista capu di u Gruppu Linley, hà nutatu in l'articulu, "quandu a ghjente dice chì un computer quantum apparirà in deci anni, ùn sanu micca quandu succede".

Malgradu sta situazione vaga, l'atmosfera di cumpetizione per u cusì chjamatu. dominanza quantistica. Preoccupata per u travagliu quantum è u successu di i Cinesi, l'amministrazione di i Stati Uniti in dicembre scorsu hà passatu a National Quantum Initiative Act (1). U documentu hè destinatu à furnisce un supportu federale per a ricerca, u sviluppu, a dimostrazione è l'applicazione di l'informatica quantistica è e tecnulugia. In un magicu dieci anni, u guvernu di i Stati Uniti spenderà miliardi à custruì l'infrastruttura di l'informatica quantistica, l'ecosistemi è u reclutamentu di persone. Tutti i grandi sviluppatori di l'informatica quantistica - D-Wave, Honeywell, IBM, Intel, IonQ, Microsoft è Rigetti, è ancu i creatori di l'algoritmi quantum 1QBit è Zapata anu accoltu. Initiative Quantum Naziunale.

Pionieri D-WAve

In u 2007, D-Wave Systems hà introduttu un chip di 128 qubit (2), hè chjamatu u primu computer quantisticu di u mondu. In ogni casu, ùn ci era micca certezza s'ellu puderia esse chjamatu cusì - solu u so travagliu hè statu mostratu, senza dettagli di a so custruzzione. In u 2009, D-Wave Systems hà sviluppatu un mutore di ricerca d'imaghjini "quantum" per Google. In May 2011, Lockheed Martin hà acquistatu un computer quantum da D-Wave Systems. D-wave unu per $ 10 milioni, mentre firmava un cuntrattu pluriennale per u so funziunamentu è u sviluppu di algoritmi rilativi.

In u 2012, sta macchina hà dimustratu u prucessu di truvà a molècula di proteina helical cù l'energia più bassa. I ricercatori di D-Wave Systems utilizanu sistemi cù numeri diffirenti qubits, hà realizatu una quantità di calculi matematichi, alcuni di i quali eranu assai oltre e capacità di l'urdinatori classici. Tuttavia, à principiu di 2014, John Smolin è Graham Smith publicatu un articulu chì dichjara chì a macchina D-Wave Systems ùn era micca una macchina. Pocu dopu, a Fisica di a Natura hà presentatu i risultati di l'esperimenti chì provanu chì D-Wave One hè sempre ...

Un'altra prova in u ghjugnu 2014 ùn hà micca dimustratu nisuna differenza trà un computer classicu è una macchina D-Wave Systems, ma a cumpagnia hà rispostu chì a diffarenza era solu notevule per i travaglii più cumplessi di quelli risolti in a prova. In principiu di 2017, a cumpagnia hà presentatu una macchina apparentemente custituita da 2 mila qubitschì era 2500 volte più veloce di l'algoritmi classici più veloci. È dinò, dui mesi dopu, un gruppu di scientisti pruvò chì sta paragone ùn era micca precisa. Per parechji scettichi, i sistemi D-Wave ùn sò sempre micca computer quantistici, ma i so simulazioni utilizendu metudi classici.

U sistema D-Wave di quarta generazione usa ricottura quantisticaè i stati di un qubit sò realizati da circuiti quantistici superconduttivi (basati nantu à i cosiddetti giunzioni Josephson). Operanu in un ambiente vicinu à u zero assolutu è vantanu un sistema di 2048 qubits. À a fine di 2018, D-Wave hà introduttu à u mercatu BOUNCE, vale à dì u vostru ambiente d'applicazione quantistica in tempu reale (KAE). A suluzione nuvola furnisce i clienti esterni cù accessu in tempu reale à l'informatica quantistica.

In ferraghju 2019, D-Wave hà annunziatu a prossima generazione  Pegasus. Hè statu annunziatu per esse "u sistema quantisticu cummerciale più vastu di u mondu" cù quindici cunnessione per qubit invece di sei, cù più di 5 qubits è accende a riduzione di u rumore à un livellu scunnisciutu prima. U dispusitivu deve esse in vendita à a mità di l'annu dopu.

Qubits, o sovrapposizioni plus entanglement

I prucessori di l'informatica standard si basanu in pacchetti o pezzi d'infurmazioni, ognunu rapprisenta una sola risposta sì o no. I prucessori Quantum sò diffirenti. Ùn funzionanu micca in un mondu zero-unu. ossu di u codu, l'unità più chjuca è indivisibule di l'infurmazione quantistica hè u sistema bidimensionale descrittu spaziu hilbert. Dunque, differisce da u ritmu classicu chì pò esse in ogni superposizione dui stati quantum. U mudellu fisicu di un qubit hè più spessu datu cum'è un esempiu di una particella cù spin ½, cum'è un elettroni, o polarizazione di un solu fotonu.

Per sfruttà u putere di i qubits, duvete cunnette cù un prucessu chjamatu cunfusione. Cù ogni qubit aghjuntu, u putere di trasfurmazioni di u processatore doppia elli stessi, postu chì u numeru di entanglements hè accumpagnatu da l'entanglement di un novu qubit cù tutti i stati digià dispunibuli in u processatore (3). Ma creà è cumminendu qubits è poi li dicenu di fà calculi intricati ùn hè micca un compitu faciule. Restanu estremamente sensibile à influenze esternechì pò purtà à errori di calculu è, in u peghju casu, à a decadenza di qubits intricati, i.e. decoerenzachì hè a vera maledizione di i sistemi quantistici. Quandu i qubits supplementari sò aghjuntu, l'effetti avversi di e forze esterne aumentanu. Una manera di trattà stu prublema hè di attivà supplementu qubits "CONTROLLO"chì a so unica funzione hè di verificà è curreghja a pruduzzioni.

3. Rappresentazione simbolica di u sistema IBM 50-qubit

Tuttavia, questu significa chì seranu necessarii computer quantistici più putenti, utili per risolve i prublemi cumplessi, cum'è a determinazione di cumu si pleganu e molécule di proteine ​​​​o simulà i prucessi fisichi in l'atomi. tanti qubits. Tom Watson di l'Università di Delft in Olanda hà dettu recentemente à BBC News:

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In cortu, se l'urdinatori quantistici sò da piglià, avete bisognu di vene cun un modu faciule per pruduce processori qubit grande è stabile.

Siccomu i qubits sò inestabile, hè assai difficiule di creà un sistema cù assai di elli. Allora se, à a fine, i qubits cum'è cuncettu per l'informatica quantistica fallenu, i scientisti anu una alternativa: i porti quantum qubit.

Una squadra di l'Università Purdue hà publicatu un studiu in npj Quantum Information detailing a so creazione. I scientisti credi chì complimentia cuntrariu di qubits, ponu esse in più di dui stati, cum'è 0, 1 è 2, è per ogni statu aghjuntu, a putenza computazionale di un qudit aumenta. In altre parolle, avete bisognu di codificà è processà a listessa quantità di informazioni. menu gloria chè qubits.

Per creà una porta quantistica chì cuntene un qudit, u squadra Purdue hà codificatu quattru qudit in dui fotoni intrecciati in termini di frequenza è tempu. A squadra hà sceltu i fotoni perchè ùn affettanu micca l'ambiente cusì facilmente, è l'usu di più duminii permettenu più intricatu cù menu fotoni. A porta finita hà avutu una putenza di trasfurmazioni di 20 qubits, ancu s'ellu ci vole solu quattru qudits, cù stabilità aghjunta per l'usu di fotoni, facendu un sistema promettente per futuri computer quantistici.

Siliciu o trappule di ioni

Ancu s'ellu ùn tutti ùn sparte micca sta opinione, l'usu di u siliciu per custruisce l'informatica quantistica pare avè grandi benefici, postu chì a tecnulugia di silicium hè ben stabilita è ci hè digià una grande industria assuciata cun ella. U siliciu hè utilizatu in i prucessori quantum di Google è IBM, ancu s'ellu hè rinfriscatu à temperature assai bassu in elli. Ùn hè micca un materiale ideale per i sistemi quantistici, ma i scientisti anu travagliatu.

Sicondu una publicazione recente in Nature, una squadra di circadori hà utilizatu l'energia di microonde per allineà duie particelle elettroniche sospese in siliciu è poi l'utilizanu per fà una seria di calculi di teste. U gruppu, chì cumprendi, in particulare, scientisti di l'Università di Wisconsin-Madison "suspende" qubits unicu elettroni in una struttura di siliciu, u spinu di quale era determinatu da l'energia di a radiazione micru. In una superposizione, un elettrone girava simultaneamente intornu à dui assi diffirenti. I dui qubits sò stati allora cumminati è programati per eseguisce calculi di teste, dopu chì i circadori anu paragunatu i dati generati da u sistema cù i dati ricevuti da un computer standard chì eseguisce i stessi calculi di teste. Dopu à currezzione di dati, un programmable processore di silicio quantum à dui bit.

Ancu s'è u percentualità di l'errori hè sempre assai più altu ch'è in i cosiddetti trappuli di ioni (dispositivi in ​​quale particelle caricate, cum'è ioni, elettroni, protoni sò almacenati per qualchì tempu) o l'urdinatori.  basatu annantu à i superconduttori cum'è D-Wave, u successu resta notevuli postu chì l'isolazione di qubits da u rumore esternu hè estremamente difficiule. I specialisti vedenu opportunità per scala è migliurà u sistema. È l'usu di siliciu, da un puntu di vista tecnologicu è ecunomicu, hè di primura quì.

Tuttavia, per parechji circadori, u silicuu ùn hè micca u futuru di l'informatica quantistica. In dicembre di l'annu passatu, l'infurmazioni apparsu chì l'ingegneri di a cumpagnia americana IonQ anu utilizatu l'itterbiu per creà l'informatica quantistica più produtiva di u mondu, superendu i sistemi D-Wave è IBM.

U risultatu era una macchina chì cuntene un solu atomu in una trappula di ioni (4) usa un unicu qubit di dati per a codificazione, è i qubits sò cuntrullati è misurati cù impulsi laser speciali. L'urdinatore hà una memoria chì pò almacenà 160 qubits di dati. Pò ancu fà calculi simultaneamente nantu à 79 qubits.

4. Schema di u trappulu IonQ ion

I scientisti di IonQ anu realizatu una prova standard di u cusì chjamatu Algoritmu di Bernstein-Waziraniego. U compitu di a macchina era di guessà un numeru trà 0 è 1023. L'urdinatori classici piglianu undici guess per un numeru 10-bit. L'urdinatori quantistici utilizanu dui approcci per guessà u risultatu cun 100% di certezza. In u primu tentativu, l'urdinatore quantum IonQ hà indovinatu una media di 73% di i numeri dati. Quandu l'algoritmu hè eseguitu per qualsiasi numeru trà 1 è 1023, a rata di successu per un urdinatore tipicu hè 0,2%, mentre chì per IonQ hè 79%.

L'esperti di IonQ credi chì i sistemi basati in trappule di ioni sò superiori à l'urdinatori quantum di siliciu chì Google è altre cumpagnie stanu custruendu. A so matrice di 79 qubit supera u processore quantum Bristlecone di Google di 7 qubit. U risultatu IonQ hè ancu sensazionale quandu si tratta di uptime di u sistema. Sicondu i creatori di a macchina, per un qubit unicu, ferma à 99,97%, chì significa una rata d'errore di 0,03%, mentre chì i migliori risultati di a cumpetizione medianu circa 0,5%. A rata d'errore di dui bit per u dispusitivu IonQ deve esse à 99,3%, mentri a maiò parte di i cuncurrenti ùn superanu micca u 95%.

Vale a pena aghjunghje chì, secondu i ricercatori di Google supremazia quantistica - u puntu à u quali un computer quantum outperforms tutti l'altri machini dispunibuli - pò digià esse ghjuntu cù un computer quantum cù 49 qubits, basta chì u tassu d'errore nantu à porte di dui qubit hè sottu à 0,5%. Tuttavia, u metudu di trappula di ioni in l'informatica quantistica face sempre ostaculi maiò per superà: tempu di esecuzione lento è grandezza enormi, è ancu a precisione è a scalabilità di a tecnulugia.

Fortezza di cifru in ruine è altre cunsequenze

In ghjennaghju 2019 à u CES 2019, u CEO di IBM, Ginni Rometty, hà annunziatu chì IBM offre digià un sistema di computazione quantistica integrata per l'usu cummerciale. Computer quantum IBM5) sò fisicamente situati in New York cum'è parte di u sistema IBM Q System One. Utilizendu a Q Network è Q Quantum Computational Center, i sviluppatori ponu facilmente usà u software Qiskit per compilà algoritmi quantum. Cusì, u putere di computing di l'ordinateur quantum IBM hè dispunibule cum'è serviziu di cloud computing, prezzu raghjone.

D-Wave hà ancu furnitu tali servizii dapoi qualchì tempu, è altri attori principali (cum'è Amazon) pianificanu offerte simili di nuvola quantistica. Microsoft andò più in là cù l'intruduzioni Q# lingua di prugrammazione (pronunciatu cum'è) chì pò travaglià cù Visual Studio è eseguisce nantu à un laptop. I programatori anu un strumentu per simule l'algoritmi quantistici è creanu un ponte software trà l'informatica classica è quantum.

Tuttavia, a quistione hè, per chì l'urdinatori è a so putenza di calculu ponu esse veramente utili? In un studiu publicatu in uttrovi scorsu in a rivista Science, i scientisti di l'IBM, l'Università di Waterloo è l'Università Tecnica di Munich anu pruvatu à apprussimatà i tipi di prublemi chì l'ordinateur quantisticu parenu più adattati per risolve.

Sicondu u studiu, tali dispusitivi seranu capaci di risolve cumplessu algebra lineari è prublemi di ottimisazione. Sembra vaga, ma pò esse l'uppurtunità di suluzione più simplice è più economica à i prublemi chì attualmente necessitanu assai sforzu, risorse è tempu, è qualchì volta sò fora di a nostra portata.

5. Computer quantum IBM

L'informatica quantistica utile cambià diametralmente u campu di a criptografia. Grazie à elli, i codici di criptografia puderanu esse rapidamente crackati è, possibbilmente, A tecnulugia blockchain serà distrutta. A criptografia RSA pare avà una difesa forte è indestructible chì prutege a maiò parte di e dati è e cumunicazioni in u mondu. Tuttavia, un computer quantum abbastanza putente pò facilmente cracke a criptografia RSA cun l'aiutu di Algoritmu Shora.

Cumu impediscenu? Qualchidunu favurizanu l'aumentu di a lunghezza di e chjave di criptografia publica à a dimensione necessaria per superà a decifrazione quantistica. Per altri, deve esse usatu solu per assicurà e cumunicazioni sicure. Grazie à a criptografia quantistica, l'attu stessu di intercepte e dati li corromperà, dopu chì a persona chì interferiscenu cù a particella ùn puderia micca ottene infurmazioni utili da ellu, è u destinatariu serà avvistu di u tentativu di eavesdropping.

L'applicazioni putenziali di l'informatica quantistica sò ancu spessu citate. analisi ecunomica è previsione. Grazie à i sistemi quantistici, mudelli cumplessi di cumportamentu di u mercatu ponu esse allargati per include assai più variàbili chè prima, chì portanu à diagnostichi è predizioni più precisi. Tracendu simultaneamente millaie di variabili da un computer quantisticu, saria ancu pussibule di riduce u tempu è u costu necessariu per u sviluppu. novi droghe, suluzioni di trasportu è logistica, catene di supply, mudelli climatichicum'è per risolve parechji altri prublemi di cumplessità gigantesca.

a lege di Nevena

U mondu di i vechji computers hà avutu a so propria lege di Moore, mentri l'urdinatori quantistici devenu esse guidati da u cusì chjamatu a lege di Nevena. Deve u so nome à unu di i specialisti quantum più prominenti in Google, Hartmut Nevena (6), chì dichjara chì i progressi in a tecnulugia di l'informatica quantistica sò attualmente fatti in doppia velocità esponenziale.

Questu significa chì invece di radduppià u rendiment cù iterazioni successive, cum'è era u casu cù l'urdinatori classici è a lege di Moore, a tecnulugia quantistica migliurà u rendiment assai più veloce.

I sperti predicenu l'avventu di a superiorità quantistica, chì pò esse tradutta micca solu in a superiorità di l'informatica quantistica annantu à qualsiasi classicu, ma ancu in altre manere - cum'è l'iniziu di una era di computer quantum utili. Questu aprirà a strada per avanzamenti in chimica, astrofisica, medicina, sicurezza, cumunicazioni è più.

Tuttavia, ci hè ancu una opinione chì una tale superiorità ùn esisterà mai, almenu micca in u futuru previsible. Una versione più ligera di u scetticismu hè questu L'urdinatori quantistici ùn rimpiazzaranu mai l'urdinatori classici perchè ùn sò micca pensati per fà. Ùn pudete micca rimpiazzà un iPhone o un PC cù una macchina quantistica, cum'è ùn pudete micca rimpiazzà i scarpi di tennis cù un traspurtadore nucleare.. L'urdinatori classici vi permettenu di ghjucà, verificà e-mail, navigà in u web è eseguisce prugrammi. L'urdinatori quantichi in a maiò parte di i casi realizanu simulazioni chì sò troppu cumplessi per i sistemi binari chì funzionanu in bit di computer. In altre parolle, i cunsumatori individuali ùn riceveranu quasi nisun benefiziu da u so propiu computer quantisticu, ma i veri benefizii di l'invenzione seranu, per esempiu, a NASA o l'Istitutu di Tecnulugia di Massachusetts.

U tempu dirà quale approcciu hè più apprupriatu - IBM o Google. Sicondu a lege di Neven, simu solu à pochi mesi da vede una dimostrazione cumpleta di a superiorità quantum da una squadra o un altru. È questu ùn hè più una prospettiva "in deci anni, vale à dì, nimu sà quandu".