Non sorprende che l'informatica quantistica sia diventata un'ossessione dei media. Un computer quantistico funzionale e utile rappresenterebbe una delle conquiste tecniche più profonde del secolo.

Per i ricercatori come me, l'emozione è benvenuta, ma alcune affermazioni che appaiono nei punti vendita popolari possono essere sconcertanti.

Una recente infusione di denaro e attenzione da parte dei giganti della tecnologia ha risvegliato l'interesse degli analisti, che ora sono desiderosi di proclamare un momento di svolta nello sviluppo di questa straordinaria tecnologia.

Il calcolo quantistico è descritto come "dietro l'angolo", semplicemente aspettando l'abilità ingegneristica e lo spirito imprenditoriale del settore tecnologico per realizzare il suo pieno potenziale.

Qual è la verità? Siamo davvero a pochi anni dall'avere computer quantistici in grado di violare tutti i sistemi di sicurezza online? Ora che i giganti della tecnologia sono impegnati, ci sediamo e aspettiamo che partano? Ora è tutto "solo ingegneria"?

Perché ci preoccupiamo così tanto dell'informatica quantistica?

I computer quantistici sono macchine che utilizzano le regole della fisica quantistica, in altre parole, la fisica delle cose molto piccole:codificare ed elaborare le informazioni in modi nuovi.

Sfruttano la fisica insolita che troviamo su queste scale minuscole, fisica che sfida la nostra esperienza quotidiana, per risolvere problemi eccezionalmente impegnativi per i computer "classici". Non pensare ai computer quantistici solo come versioni più veloci dei computer di oggi, ma pensali come computer che funzionano in un modo completamente nuovo. I due sono diversi come un abaco e un PC.

Possono (in linea di principio) risolvere duramente, domande ad alto impatto in campi come la decifrazione del codice, ricerca, chimica e fisica.

Il principale tra questi è il "factoring":trovare i due numeri primi, divisibile solo per uno e per se stessi, che moltiplicati insieme raggiungono un numero target. Ad esempio, i fattori primi di 15 sono 3 e 5.

Per quanto semplice possa sembrare, quando il numero da scomporre diventa grande, dire 1, 000 cifre lunghe, il problema è effettivamente impossibile per un computer classico. Il fatto che questo problema sia così difficile per qualsiasi computer convenzionale è il modo in cui proteggiamo la maggior parte delle comunicazioni Internet, ad esempio attraverso la crittografia a chiave pubblica.

È noto che alcuni computer quantistici eseguono il factoring in modo esponenziale più velocemente di qualsiasi supercomputer classico. Ma competere con un supercomputer richiederà comunque un computer quantistico piuttosto grande.

I soldi cambiano tutto

L'informatica quantistica è nata come disciplina unica alla fine degli anni '90, quando il governo degli Stati Uniti, consapevoli del potenziale recentemente scoperto di queste macchine per la decrittazione del codice, ha iniziato a investire nella ricerca universitaria

Il campo ha riunito squadre provenienti da tutto il mondo, compresa l'Australia, dove ora abbiamo due centri di eccellenza nella tecnologia quantistica (l'autore fa parte del Centro di eccellenza per i sistemi quantistici ingegnerizzati).

Ma ora l'attenzione accademica si sta spostando, in parte, all'industria.

IBM ha da tempo un programma di ricerca di base nel campo. È stato recentemente raggiunto da Google, che ha investito in un team dell'Università della California, e Microsoft, che ha collaborato con accademici a livello globale, compresa l'Università di Sydney.

Apparentemente odore di sangue nell'acqua, Anche i venture capitalist della Silicon Valley hanno recentemente iniziato a investire in nuove startup che lavorano per costruire computer quantistici.

I media hanno erroneamente visto l'ingresso degli operatori commerciali come la genesi della recente accelerazione tecnologica, piuttosto che a risposta a questi progressi.

Quindi ora troviamo una varietà di affermazioni in competizione sullo stato dell'arte nel campo, dove sta andando il campo, e chi raggiungerà per primo l'obiettivo finale, un computer quantistico su larga scala.

Lo stato dell'arte nella più strana delle tecnologie

I microprocessori per computer convenzionali possono avere più di un miliardo di elementi logici fondamentali, noti come transistor. Nei sistemi quantistici, le unità logiche quantistiche fondamentali sono note come qubit, e per ora, sono per lo più numeri nell'intervallo di una dozzina.

Tali dispositivi sono eccezionalmente entusiasmanti per i ricercatori e rappresentano un enorme progresso, ma sono poco più che giocattoli dal punto di vista pratico. Non sono vicini a ciò che è richiesto per il factoring o qualsiasi altra applicazione:sono troppo piccoli e subiscono troppi errori, nonostante ciò che i titoli frenetici possono promettere.

Ad esempio, non è nemmeno facile rispondere alla domanda su quale sistema ha i migliori qubit in questo momento.

Considera le due tecnologie dominanti. I team che utilizzano ioni intrappolati hanno qubit resistenti agli errori, ma relativamente lento. I team che utilizzano qubit superconduttori (inclusi IBM e Google) hanno qubit relativamente soggetti a errori che sono molto più veloci, e potrebbe essere più facile da replicare a breve termine.

Che è migliore? Non c'è una risposta semplice. Un computer quantistico con molti qubit che soffrono di molti errori non è necessariamente più utile di una macchina molto piccola con qubit molto stabili.

Poiché i computer quantistici possono anche assumere forme diverse (scopo generico o su misura per un'applicazione), non riusciamo nemmeno a raggiungere un accordo su quale sistema abbia attualmente il maggior insieme di capacità.

Allo stesso modo, ora c'è una concorrenza apparentemente infinita su metriche semplificate come il numero di qubit. Cinque, 16, presto 49! La questione se un computer quantistico sia utile è definita da molto più di questo.

Dove da qui?

Ultimamente i media si sono concentrati sul raggiungimento della "supremazia quantistica". Questo è il punto in cui un computer quantistico supera la sua migliore controparte classica, e raggiungere questo segnerebbe assolutamente un importante progresso concettuale nell'informatica quantistica.

Ma non confondere "supremazia quantistica" con "utilità".

Alcuni ricercatori di computer quantistici stanno cercando di escogitare problemi leggermente arcani che potrebbero consentire di raggiungere la supremazia quantistica con, dire, 50-100 qubit – numeri raggiungibili nei prossimi anni.

Raggiungere la supremazia quantistica non significa nemmeno che quelle macchine saranno utili, o che il percorso verso macchine su larga scala diventerà chiaro.

Inoltre, dobbiamo ancora capire come affrontare gli errori. I computer classici raramente soffrono di guasti hardware:la "schermata blu della morte" deriva generalmente da bug del software, piuttosto che guasti hardware. La probabilità di un guasto hardware è solitamente inferiore a qualcosa come uno su un miliardo di quadrilioni, o 10 ^-24 in notazione scientifica.

Il miglior hardware per computer quantistico, d'altra parte, in genere raggiunge solo circa uno su 10, 000, o 10 ^-4. sono 20 ordini di grandezza peggio.

È solo ingegneria?

Stiamo assistendo a un lento aumento del numero di qubit nei sistemi più avanzati, e scienziati intelligenti stanno pensando a problemi che potrebbero essere utilmente affrontati con piccoli computer quantistici contenenti solo poche centinaia di qubit.

Ma dobbiamo ancora affrontare molte domande fondamentali su come costruire, operare o addirittura convalidare le prestazioni dei sistemi su larga scala che a volte sentiamo essere dietro l'angolo.

Come esempio, se costruissimo un computer quantistico completamente "corretto per gli errori" della scala dei milioni di qubit necessari per la fattorizzazione utile, per quanto possiamo dire, rappresenterebbe uno stato della materia totalmente nuovo. È piuttosto fondamentale.

In questa fase, non esiste un percorso chiaro per i milioni di qubit corretti per errori che riteniamo siano necessari per costruire una macchina di factoring utile. Gli attuali sforzi globali (in cui questo autore è un partecipante) stanno cercando di costruire un solo qubit corretto per errori da consegnare tra circa cinque anni.

Alla fine del giorno, nessuna delle squadre sopra menzionate è in grado di costruire un computer quantistico utile nel 2017... o nel 2018. Ma ciò non dovrebbe destare preoccupazione quando ci sono così tante domande interessanti a cui rispondere lungo la strada.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.