Quantum Computing: significato, vantaggi e altro

Quantistico informatica è l'applicazione dei principi della meccanica quantistica nell'esecuzione di calcoli. I fenomeni di base qui impiegati sono aggrovigliamento e sovrapposizione.

Mentre quanto informatica è una parola d’ordine relativamente nuova, la meccanica quantistica esiste da molto più tempo. È stato responsabile di importanti sviluppi nell'industria elettronica e offre inoltre risposte a molti misteri dell'umanità.

La meccanica quantistica si concentra su come funzionano gli atomi e le particelle subatomiche, mentre la parola quantistica si riferisce alla particella più piccola con cui si può lavorare. Questo è l'elemento costitutivo più elementare di qualsiasi oggetto fisico.

Da Max Planck ad Albert Einstein, Neils Bohr ed Erwin Schrödinger, molti grandi scienziati sono stati coinvolti nello sviluppo della meccanica quantistica e nel suo culmine nella corsa all'informatica quantistica, una delle più grandi gare tecnologiche del nostro tempo.

Questo post ti porta nel magico mondo dei fenomeni quantistici, ti mostra come ricavarne un computer ed esplora i suoi campi correlati.

Azione spettrale a distanza

I fenomeni quantistici sfidano la comprensione convenzionale e funzionano in termini completamente diversi dalla fisica classica. Quindi, negli anni '1930, Einstein usò le parole "azione spettrale a distanza" per descrivere i fenomeni dell'entanglement quantistico e come non si adattano alla scienza convenzionale.

L'entanglement quantistico non è una novità. Se crei due particelle nello stesso punto e nello stesso istante, si aggrovigliano. Ciò significa che qualunque cosa accada a uno, colpisce l'altro.

È come innamorarsi e ricevere una chiamata ogni volta che pensi al tuo amante. O fare una chiamata e sentire "Stavo per chiamarti". È noto che gemelli identici si ammalano contemporaneamente.

La parte più spaventosa dell'entanglement quantistico è che puoi portare una delle particelle aggrovigliate lontano. E qualunque condizione lo sottoponi influenzerà istantaneamente la seconda particella, anche da mezza galassia di distanza.

I computer quantistici utilizzano questa proprietà per memorizzare enormi quantità di informazioni su più particelle contemporaneamente. Queste particelle sono chiamate qubit o bit quantistici, ma prima diamo uno sguardo al secondo fenomeno quantomeccanico.

Erwin Schrödinger e il suo gatto

Un altro dei primi ricercatori quantistici fu il fisico austriaco Erwin Schrödinger, che, come Albert Einstein, trovò ugualmente ridicole parti dei fenomeni quantistici. Quindi, ha inventato l'ormai famoso esperimento mentale chiamato "Il gatto di Schrödinger" per visualizzare il paradosso della sovrapposizione quantistica.

Questo esperimento afferma che se metti un gatto e qualcosa che potrebbe uccidere il gatto in una scatola e lo sigilla. Non sapresti se il gatto fosse vivo o morto finché non apri la scatola. Quindi, logicamente, il gatto era vivo e morto finché non apri la scatola.

La sovrapposizione è il secondo fenomeno che rende possibile il calcolo quantistico. Laddove i computer classici funzionano con bit di informazioni che possono rappresentare 1 o 0 in un dato momento, i computer quantistici funzionano con qubit (bit quantistici) che possono rappresentare sia 0 che 1 contemporaneamente, proprio come il gatto che era morto e vivo.

Ecco uno sguardo più da vicino ai qubit.

Il bit contro il Qubit

Il qubit è ciò che rende possibile il calcolo quantistico. Chiamato anche bit quantistico o qbit, un qubit è l'unità di energia più piccola che puoi manipolare per salvare e recuperare informazioni da.

Un normale bit di computer può essere solo 0 o 1 in un dato momento. Mentre un bit quantico può essere entrambi allo stesso tempo. Due bit regolari, quindi, possono contenere 00, 01, 10 e 11 in un dato momento. Ma due bit quantistici possono contenere tutti e quattro gli stati contemporaneamente. Ciò significa cicli di calcolo 4 volte più veloci.

Con 3 bit regolari, puoi ottenere 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 e 111 in qualsiasi momento. Ma 3 qubit manterranno tutti gli otto stati contemporaneamente, offrendo cicli di calcolo 8 volte più veloci. Come puoi vedere, questa relazione è esponenziale, quindi ogni bit aggiuntivo raddoppia la quantità di informazioni disponibili.

Quindi, con 5 qubit, stai guardando 32 stati simultanei, con 10 qubit sono oltre 1,000 stati e con 20 qubit, oltre un milione. Ora, considera quanti stati il Computer quantistici da 1,000 qubit che IBM e Google stanno sviluppando può reggere contemporaneamente.

Puoi creare qubit da fotoni, elettroni, nuclei atomici, punti quantici, superconduttorie altre implementazioni. L'obiettivo è creare una raccolta stabile di bit quantici di energia che puoi impostare e misurare comodamente a piacimento.

Vantaggi dell'informatica quantistica

Il vantaggio principale dell’informatica quantistica sono i risultati istantanei di problemi complessi. Ciò avviene principalmente nelle situazioni in cui devi scegliere la risposta giusta tra molte possibilità. E questo li rende ottimi per la fattorizzazione dei numeri, le simulazioni su larga scala e il riconoscimento di modelli intelligenza artificiale.

L'approccio standard per i computer classici consiste nell'investigare ogni possibilità fino a trovare quello che stai cercando. Spesso chiamato ago in una ricerca nel pagliaio, la quantità di tempo necessaria per questa operazione dipende da quanto fieno o record devi setacciare. E su quanto è veloce la tua macchina.

I supercomputer semplificano tali problemi aumentando la velocità di verifica di ogni possibilità. I computer quantistici, d'altra parte, possono generare tutte le possibilità contemporaneamente, se sono disponibili abbastanza qubit. Questo è il motivo per cui possono calcolare in poche ore problemi che i computer ordinari impiegheranno da centinaia a migliaia di anni per calcolare.

Problemi e limitazioni del calcolo quantistico

Mentre puoi facilmente misurare i bit in un computer classico, la misurazione di un qubit distrugge il suo stato e quello dei suoi qubit entangled.

Inoltre, i bit classici sono realizzati con un'ampia gamma di materiali semiconduttori che devono semplicemente contenere una carica (1) o meno (0). I qubit sono, tuttavia, molto più complessi e difficili da implementare. E oltre a isolare spazialmente un qubit, è necessario proteggerlo dalle interferenze ambientali, come la temperatura e le fluttuazioni elettrostatiche. Perché tali piccoli cambiamenti ambientali corromperanno anche questi stati.

Questa perdita di entanglement o di equilibrio del sistema è chiamata decoerenza quantistica ed è il problema principale che la maggior parte dei ricercatori sta cercando di risolvere. È così grave che la prossima macchina da 1,000 qubit di Google avrà bisogno fino a 1,000 qubit per la correzione degli errori di ciascun qubit. Ciò la rende una macchina da 1 milione di qubit.

Significa anche che attualmente non puoi gestire un computer quantistico come faresti con un laptop o uno smartphone. Il computer ha bisogno di condizioni di laboratorio per mantenere un livello di stabilità sicuro per i suoi qubit.

Un altro inconveniente è la portata limitata della cosiddetta supremazia quantistica, perché non tutti i problemi di calcolo implicano grandi volumi di numeri o possibilità. Quindi, la spinta computazionale nella maggior parte delle altre operazioni è troppo insignificante per giustificare un approccio di calcolo quantistico. E a meno che i computer quantistici non finiscano per essere più economici dei computer classici, non li sostituiranno presto.

Nonostante tutti questi inconvenienti, i computer quantistici e i loro qubit hanno molto potenziale nell'industria dei computer a causa dei grandi numeri che possono gestire con facilità.

Ci sono pericoli con il Quantum Computing?

SÌ. Ogni bene degli hacker sa che ogni tecnologia ha una scappatoia. Devi solo trovarlo. Quindi, indipendentemente dalle effettive implementazioni dei computer quantistici in futuro, ci saranno ancora problemi con la tecnologia. E attori pronti a capitalizzarli.

Questo scenario si riferisce a usi come quello bancario, finanziare, governo e attività pubbliche simili. Un secondo scenario è quello in cui un malintenzionato sfrutta la straordinaria potenza di un buon computer quantistico per portare a termine un’impresa. E come sempre, le persone verranno a conoscenza di tale possibilità solo dopo che l'atto sarà compiuto.

Il calcolo quantistico funziona bene con i numeri. Pertanto, gli algoritmi di crittografia asimmetrici che utilizzano la fattorizzazione, come l'RSA a chiave pubblica, non sono sicuri. L'hashing e la crittografia simmetrica, come AES-256 e 512, nonché SHA-256 e 512, d'altra parte, sono relativamente sicuri.

Altre applicazioni della meccanica quantistica

Per quanto eccitante sia il mondo dell'informatica quantistica, è ancora solo una parte della meccanica quantistica. Quindi, in altre parole, la festa quantistica è appena iniziata.

La meccanica quantistica è stata determinante nello sviluppo dei semiconduttori e dell'elettronica moderna. Sono in corso anche lavori per il networking e la crittografia quantistica, come quelli con sede in Svizzera pioniere della crittografia quantistica ID Quantique. Inoltre, i fenomeni quantistici hanno inoltre mostrato risultati promettenti in numerosi campi di ricerca, tra cui la fotosintesi, i recettori dell'olfatto e persino la nostra comprensione del tempo.

Computer quantistici del mondo reale

Ci sono molti computer quantistici e applicazioni simili là fuori. Provengono da grandi multinazionali come Google e IBM, oltre che da governi, e anche da attori più piccoli come Rigetti.

L'informatica quantistica è attualmente una delle aree di ricerca più calde del pianeta. Quindi ci sono probabilmente più programmi segreti là fuori di quanto tu possa immaginare. Di seguito alcuni grandi progetti:

• Google possiede macchine a 54 e 72 qubit
• IBM possiede oltre 30 macchine sparse in tutto il mondo, inclusa la Manhattan da 65 qubit
• La Cina ospita molti computer quantistici, tra cui una macchina a 76 qubit e persino comunicazioni satellitari quantistiche.
• La macchina Sycamore a 54 qubit di Google ha impiegato solo 200 secondi per calcolare ciò che i supercomputer avrebbero bisogno di 10,000 anni per calcolare.
• IBM sta sviluppando una macchina da 1,000 qubit entro il 2023
• Rigetti Computing ne possiede quattro, inclusa una macchina da 31 qubit
• Google sta costruendo un nuovo centro quantistico per creare un computer da 1,000 qubit entro il 2029. Fattorizzazione della correzione degli errori, i qubit totali di quel computer potrebbero raggiungere 1 milione.

Conclusione

I computer quantistici sono qui per restare. Poiché creeranno molte opportunità e risolveranno problemi del mondo reale con cui i computer classici hanno lottato per decenni.

Tuttavia, c'è ancora molto lavoro da fare e sfide da superare prima di arrivarci. E fino ad allora, la Cina potrebbe semplicemente sorprendere il mondo.