Abbiamo sentito parlare di computer quantistici per almeno alcuni anni. Ma cos'è? A cosa serve un computer quantistico? Oggi è tutto in parole semplici.
quantistico computer è un'invenzione in cui molti ricercatori nutrono grandi speranze, aspettandosi che avrà un impatto positivo sullo sviluppo della scienza. Tuttavia, capire come funziona la fisica quantistica è molto difficile. Alcuni fisici dubitano addirittura che gli attuali "computer quantistici" debbano essere chiamati così. Il più grande ostacolo nell'uso del calcolo quantistico è il gran numero di errori che sono interessati anche dai più piccoli cambiamenti nell'ambiente delle macchine quantistiche. Finora, non siamo ancora riusciti a sfruttare appieno il potenziale dei bit quantistici. Oggi cercheremo di scoprire cosa hanno di speciale questi bit molto quantistici?
Esistono i computer quantistici?
L'essenza di ogni vero scienziato è non fidarsi e controllare tutto il tempo. Ho ricordato queste stesse parole quando ero ancora uno studente. E più di una volta si è assicurato della correttezza di questa frase. Questo vale anche per i "computer quantistici". Perché ho citato il nome di questi computer? Scopriamolo.
I computer quantistici sono un argomento molto complesso, ma cercherò di renderlo il più semplice possibile e di parlarne in modo accessibile. Ancora oggi, scienziati, fisici e ingegneri possono dibattere sull'apparentemente semplice questione se esista un computer quantistico funzionante da qualche parte nel mondo. "Ma come, dopo tutto, aziende come IBM si vantano dei computer quantistici!" - potrebbe dire qualcuno. E avrà ragione. Rimane una domanda aperta se IBM abbia davvero creato un computer quantistico o semplicemente abbia chiamato il suo dispositivo un "computer quantistico".
Quando uno dei miei amici mi chiede di spiegare con parole semplici in che modo i computer quantistici differiscono dai computer a cui siamo abituati, di solito uso un semplice confronto. Se i nostri computer classici (come PC, laptop che smartphone) sono candele, quindi i computer quantistici sono lampadine. Lo scopo di entrambi è lo stesso: per le lampade a incandescenza e le candele, è l'emissione di luce, e per i computer, è per i calcoli. Tuttavia, in entrambi i casi l'obiettivo viene raggiunto in modo completamente diverso e il risultato è diverso. In poche parole, un computer quantistico non è solo una versione migliorata dei computer moderni, proprio come una lampadina non è solo una candela più grande. Non puoi creare una lampadina rendendo le candele sempre migliori. La lampadina è diversa tecnologia, sulla base di una più profonda comprensione scientifica. Allo stesso modo, un computer quantistico è un nuovo tipo di dispositivo basato sulla fisica quantistica e, proprio come la lampadina ha cambiato la società, i computer quantistici possono influenzare molti aspetti della nostra vita, comprese le esigenze di sicurezza, assistenza sanitaria e persino Internet.
Quindi, se ci atteniamo al confronto dei computer con le lampadine, allora il "quantum Joseph Swan" (il creatore della prima lampadina a incandescenza funzionale) non è ancora apparso e finora la scienza sta cercando, in parole semplici, di rendere "qualcosa di rosso e caldo" controllando quanto emette luce. Conosciamo alcuni dei fondamenti teorici di come funzionano i computer quantistici, ma ci sono enormi ostacoli al loro sviluppo che aspettano ancora di essere risolti.
Centri di ricerca e aziende in tutto il mondo stanno conducendo ulteriori test e ricerche, e gli esperti nel campo della fisica quantistica concordano sul fatto che la creazione di macchine quantistiche perfettamente funzionanti che possiamo utilizzare per raggiungere obiettivi impossibili da raggiungere in questa fase ovviamente supererà le decine di anni.
Credo, e molti scienziati saranno d'accordo con me, che le macchine attualmente chiamate computer quantistici non meritino affatto un nome del genere. Non hanno la capacità di eseguire calcoli o risolvere problemi che non possiamo risolvere in modo normale e classico.
Non abbiamo ancora raggiunto un livello di sviluppo tecnologico tale da poter creare una macchina quantistica in grado di risolvere problemi attualmente inaccessibili ai computer classici. Certo, Google o IBM parlano di alcuni o altri calcoli eseguiti che sarebbe difficile fare in modo classico, ma al momento non sono convincenti.
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Che cos'è un quanto?
Che cos'è un "quanto" comunque? Non è un oggetto fisico. Il termine "quanto" è usato in fisica per descrivere la più piccola frazione possibile di qualcosa. Quindi puoi avere un "quantum di forza", un "quantum di tempo" o un "quantum di particelle". Seguendo questo percorso, arriveremo a termini come "fisica quantistica" e "meccanica quantistica", cioè branche della scienza che si occupano delle interazioni o dei sistemi più piccoli possibili - a livello di atomi e persino di singoli quark.
E ora abbiamo raggiunto il qubit (quantum bit), cioè la "più piccola e indivisibile unità di informazione quantistica". Allo stesso tempo, arriviamo anche al primo punto, che ci parla delle somiglianze e delle differenze nel modo in cui i computer classici (usando i bit) e i computer quantistici (usando i qubit) eseguono i calcoli.
Nei computer classici, ogni informazione viene memorizzata come una sequenza di uno e zero. Tali informazioni vengono percepite e interpretate da computer, console, smartphone, orologio intelligente che Smart TV, simili alle operazioni che vengono eseguite su queste informazioni. Che si tratti di guardare le foto delle vacanze, chattare con gli amici, giocare all'ultimo gioco o eseguire calcoli crittografici avanzati, tutto accade in un sistema binario in cui ci sono 0 o 1 e nient'altro. In effetti, è più simile a un classico sì o no.
Quanto sia inefficiente questo sistema può essere visto quando raggiungiamo i suoi limiti. E se esauriamo lo spazio sui nostri smartphone per un altro selfie o se gli scienziati stanno cercando di creare modelli matematici dello sviluppo di una pandemia, il problema è che ci sono troppi zeri e uno, e le risorse per conservarli e il potere di calcolarli non sono disponibili.
Qubit risolve questo problema. Questa informazione utilizza proprietà della fisica quantistica che le consentono di rimanere in una cosiddetta sovrapposizione. Un qubit può assumere qualsiasi valore compreso tra 0 e 1. Ha le proprietà dell'intero spettro e può avere valori come 15 percento zero e 85 percento uno. In teoria, questo ti consente di salvare molte più informazioni o velocizzare i calcoli. Ma allo stesso tempo sorgono molti problemi difficili da controllare e persino da capire.
Un'altra caratteristica dei computer quantistici, che consente un ulteriore ridimensionamento della potenza di calcolo, è l'uso dell'entanglement quantistico. Questo è uno stato in cui due qubit sono collegati tra loro e ogni volta che ne osserviamo uno, l'altro sarà esattamente nello stesso stato. L'entanglement consente di raggruppare i qubit in unità ancora più efficienti per la registrazione e l'elaborazione delle informazioni.
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Equipaggiamento quantistico
Un computer quantistico è costituito da tre parti principali: un'area per la memorizzazione dei qubit, un metodo per trasmettere segnali ai qubit e un computer classico per eseguire un programma e inviare istruzioni.
Il materiale quantistico che compone i qubit è delicato ed estremamente sensibile alle influenze ambientali. Per alcuni metodi di archiviazione dei qubit, l'unità che ospita i qubit viene mantenuta a una temperatura prossima allo zero assoluto per massimizzarne la coerenza. Altri tipi di archiviazione di qubit utilizzano una camera a vuoto per ridurre al minimo le vibrazioni e stabilizzare i qubit.
Esistono vari metodi per trasmettere segnali ai qubit, come microonde, laser e tensione elettrica.
Per stabilire il normale funzionamento dei computer quantistici, è necessario risolvere molti problemi. Un grosso problema con i computer quantistici è la correzione degli errori e il ridimensionamento (aggiungendo più qubit) ne aumenta ulteriormente la frequenza. A causa di queste limitazioni, un personal computer quantistico sulla scrivania è ancora un futuro lontano, ma i computer quantistici commerciali potrebbero diventare disponibili nel prossimo futuro. Parliamo di questo in modo più dettagliato.
Problemi dei computer quantistici
Tuttavia, i computer quantistici hanno un grosso problema. Cioè, gli scienziati hanno un grosso problema con il loro utilizzo, perché, grazie alle loro proprietà speciali, i qubit hanno bisogno di un ambiente sufficientemente calmo per poter leggere accuratamente qualsiasi dato da loro. Ogni, anche la più piccola violazione renderà impossibile leggere accuratamente le informazioni.
Nel caso dei computer classici, un problema simile ha giocato un ruolo importante anche in passato, ma oggi è così insignificante che spesso viene trascurato anche nelle scienze accademiche. Stiamo parlando di tasso di errore. È un indicatore che determina quale proporzione di bit o qubit di informazioni può essere danneggiata. Questo può accadere, ad esempio, in caso di sovratensione o altri disturbi.
Per i dispositivi classici, la probabilità di errore è di circa uno a 1017 morso Nel caso dei computer quantistici, questo è ancora uno di diverse centinaia. E questo è in una situazione in cui i computer quantistici funzionano nelle condizioni più isolate e ad una temperatura di -272 gradi Celsius, cioè leggermente al di sopra dello zero assoluto. Qualsiasi fluttuazione di temperatura, cambiamento nel campo elettromagnetico e persino movimento distruggono l'intero calcolo.
Un altro problema è l'"instabilità" degli stati quantistici. Ogni volta che misuriamo o vogliamo disturbare uno stato quantistico, ritorna a una delle due posizioni, zero e uno. In questo caso, lo stato quantistico decadrà. Questo processo è chiamato decoerenza quantistica.
Pensala in questo modo: un computer quantistico è un matematico esperto che esegue calcoli complessi e i suoi risultati sono compresi tra 0 e 1 milione. Noi, a nostra volta, siamo un bambino che capisce solo che qualcosa può essere troppo o troppo poco. Ogni volta che un matematico potrebbe avere risultati diversi, come 356 o 670,23, secondo la nostra comprensione del mondo ciascuno di questi risultati sarebbe classificato come pochi (1) o molti (846), senza definire una differenza specifica tra i due. Questa è la decoerenza quantistica. L'unico modo per fare un calcolo corretto è garantire il lavoro di matematica prima che sia finito.
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Per cosa useremo i computer quantistici?
Oggi si pone la domanda su cosa possono essere usati i computer quantistici, proprio come 20 anni fa, a cosa serve uno smartphone. Certo, ci sono già alcuni piani e ipotesi, ma le direzioni più interessanti per l'uso dei qubit diventeranno probabilmente chiare quando i computer quantistici si diffonderanno.
La crittografia è uno dei campi più popolari in cui viene utilizzato più spesso il calcolo quantistico. Il fatto è che sarà un metodo per trasmettere informazioni in modo molto sicuro, e la sicurezza non si basa sulla complessità dei processi informatici, ma sulle leggi della fisica, che daranno la certezza che certe cose sono semplicemente impossibili. E in questo momento sarà impossibile ascoltare, spiare, hackerare.
La sicurezza in questo caso è garantita dalle stesse proprietà fisiche dei qubit, che, come ho spiegato in precedenza, cessano di mostrare caratteristiche di sovrapposizione non appena vengono osservati. Quindi qualsiasi tentativo di intercettare o addirittura copiare il messaggio codificato lo distruggerà semplicemente.
I computer quantistici possono anche permetterci di comprendere meglio i processi naturali. Il "caos" della sovrapposizione riflette molto meglio il modo in cui, ad esempio, le mutazioni nel DNA e quindi lo sviluppo della malattia e dell'evoluzione. L'informatica quantistica è già utilizzata oggi per creare nuovi farmaci.
Forse ha senso parlare dell'uso dei computer quantistici per il teletrasporto dei dati. Sì, appunto il teletrasporto di dati, ed eventualmente di una persona. Saremo in grado di teletrasportare le informazioni da un luogo all'altro senza trasferirle fisicamente. Sembra una fantasia, ma è possibile, perché questa fluidità delle particelle quantistiche può impigliarsi nel tempo e nello spazio, così che un cambiamento in una particella può influenzarne un'altra, e questo crea un canale per il teletrasporto. Questo è già stato dimostrato in laboratorio e potrebbe far parte dell'Internet quantistica del futuro. Non abbiamo ancora una rete del genere, ma alcuni scienziati stanno già lavorando su queste possibilità, simulando una rete quantistica su un computer quantistico. Hanno già sviluppato e implementato nuovi protocolli interessanti, come il teletrasporto tra utenti della rete e il trasferimento efficiente dei dati, e persino il voto sicuro.
Va anche detto che i computer quantistici dovrebbero essere usati per simulare varie situazioni e trovare soluzioni ai problemi, compresi medicinali e vaccini. Ad esempio, durante pandemie come il coronavirus, quando è necessario un calcolo e un calcolo più rapidi delle opzioni. Qui puoi usare la possibilità della modellazione quantistica, che non può essere eseguita su un computer classico. Quando emerge una nuova malattia, il processo per trovare una cura richiede circa 15 anni e può costare fino a 2,6 miliardi di dollari. In alcune malattie, è necessario filtrare attraverso milioni di molecole per identificare solo centinaia di individui promettenti che rischiano di diventare donatori. Quindi, durante il test, circa il 99% delle molecole viene eliminato a causa, tra le altre cose, di previsioni errate del comportamento e limitazioni del campionamento. È qui che i computer quantistici verrebbero alla ribalta.
E queste sono ancora solo alcune delle meravigliose idee di ciò che si può ottenere usando la fisica quantistica. Attualmente, riusciamo in una certa misura a domare il suo carattere capriccioso, ma tutti gli sviluppi sono ancora al livello iniziale. La creazione di un vero computer quantistico e la sua applicazione di massa è ancora abbastanza lontana, ma il progresso non si ferma. Pertanto, forse tra una decina di anni leggerai questo articolo con l'aiuto di un computer quantistico e sorriderai con condiscendenza.
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