Da più di 50 anni, La legge di Moore ha regnato sovrana. L'osservazione che il numero di transistor su un chip per computer raddoppia all'incirca ogni due anni ha segnato il ritmo della nostra moderna rivoluzione digitale:realizzare smartphone, personal computer e attuali supercomputer possibili. Ma la legge di Moore sta rallentando. E anche se non lo fosse, alcuni dei grandi problemi che gli scienziati devono affrontare potrebbero essere al di fuori della portata dei computer convenzionali.

Negli ultimi anni, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno esplorato un tipo drasticamente diverso di architettura informatica basata sulla meccanica quantistica per risolvere alcuni dei problemi più difficili della scienza. Con il finanziamento della Ricerca e Sviluppo Diretto da Laboratorio (LDRD), hanno sviluppato la chimica quantistica e algoritmi di ottimizzazione, così come prototipi di processori quantistici superconduttori. Recentemente, hanno dimostrato la fattibilità del loro lavoro utilizzando questi algoritmi su un processore quantistico comprendente due bit quantistici transmoni superconduttori per risolvere con successo il problema chimico del calcolo dello spettro energetico completo di una molecola di idrogeno.

Ora, due gruppi di ricerca guidati dallo staff del Berkeley Lab riceveranno finanziamenti dal Dipartimento dell'Energia (DOE) per sfruttare questo slancio. Un team riceverà 1,5 milioni di dollari in tre anni per sviluppare nuovi algoritmi, tecniche di compilazione e strumenti di pianificazione che consentiranno di utilizzare piattaforme di calcolo quantistico a breve termine per la scoperta scientifica nelle scienze chimiche. L'altro team lavorerà a stretto contatto con questi ricercatori per progettare prototipi di processori a quattro e otto qubit per calcolare questi nuovi algoritmi. Questo progetto durerà cinque anni e i ricercatori riceveranno 1,5 milioni di dollari per il loro primo anno di lavoro. Entro il quinto anno, il team hardware spera di dimostrare un processore a 64 qubit con il pieno controllo.

"Un giorno, i computer quantistici universali saranno in grado di risolvere un'ampia gamma di problemi, dalla progettazione molecolare al machine learning e alla sicurezza informatica, ma siamo molto lontani da questo. Così, la domanda che ci poniamo attualmente è se ci sono problemi specifici che possiamo risolvere con computer quantistici più specializzati, "dice Irfan Siddiqi, Scienziato del Berkeley Lab e direttore fondatore del Center for Quantum Coherent Science presso l'UC Berkeley.

Secondo Siddiqi, le odierne tecnologie di calcolo coerente quantistico hanno i tempi di coerenza richiesti, fedeltà delle operazioni logiche e topologie di circuiti per eseguire calcoli specializzati per la ricerca fondamentale in aree come la scienza molecolare e dei materiali, ottimizzazione numerica e fisica delle alte energie. Alla luce di questi progressi, osserva che è giunto il momento che il DOE esplori come queste tecnologie possono essere integrate nella comunità dei computer ad alte prestazioni. Su questi nuovi progetti, i team del Berkeley Lab lavoreranno con collaboratori nell'industria e nel mondo accademico per basarsi su questi progressi e affrontare difficili problemi scientifici della missione DOE come il calcolo della dinamica del sistema molecolare e l'apprendimento automatico quantistico.

"Siamo nelle prime fasi dell'informatica quantistica, un po' come quando eravamo con l'informatica convenzionale negli anni '40. Abbiamo parte dell'hardware, ora abbiamo bisogno di sviluppare un robusto set di software, algoritmi e strumenti per utilizzarlo in modo ottimale per risolvere problemi scientifici davvero difficili, "dice Bert de Jong, che guida la Chimica Computazionale, Materials and Climate Group nella divisione di ricerca computazionale (CRD) del Berkeley Lab.

Sarà a capo di un DOE Quantum Algorithms Team composto da ricercatori del Berkeley Lab, Harvard, Argonne National Lab e UC Berkeley si sono concentrati su "Algoritmi quantistici, Strumenti matematici e di compilazione per le scienze chimiche."

"La tradizione della scienza di squadra di Berkeley Lab, così come la sua vicinanza alla UC Berkeley e alla Silicon Valley, lo rende un luogo ideale per lavorare sull'informatica quantistica end-to-end, "dice Jonathan Carter, Vicedirettore del Berkeley Lab Computing Sciences. "Abbiamo fisici e chimici in laboratorio che stanno studiando la scienza fondamentale della meccanica quantistica, ingegneri per progettare e fabbricare processori quantistici, così come scienziati informatici e matematici per garantire che l'hardware sia in grado di calcolare efficacemente la scienza del DOE".

Carter, Siddiqi e Jonathan DuBois del Lawrence Livermore National Laboratory guideranno il progetto di testbed Advanced Quantum-Enabled Simulation (AQuES) del DOE.

Sfida della coerenza quantistica

La chiave per costruire computer quantistici che risolvono problemi scientifici oltre la portata dei computer convenzionali è la "coerenza quantistica". Questo fenomeno consente essenzialmente ai sistemi quantistici di memorizzare molte più informazioni per bit rispetto ai computer tradizionali.

In un computer convenzionale, i circuiti di un processore comprendono miliardi di transistor, minuscoli interruttori attivati ​​da segnali elettronici. Le cifre 1 e 0 sono utilizzate in binario per riflettere gli stati on e off di un transistor. Questo è essenzialmente il modo in cui le informazioni vengono archiviate ed elaborate. Quando i programmatori scrivono codice per computer, un traduttore lo trasforma in istruzioni binarie, 1 e 0, che un processore può eseguire.

A differenza di un bit tradizionale, un bit quantistico (qubit) può assumere proprietà quantomeccaniche alquanto controintuitive come l'entanglement e la sovrapposizione. L'entanglement quantistico si verifica quando coppie o gruppi di particelle interagiscono in modo tale che lo stato di ciascuna particella non può essere descritto individualmente; invece lo stato deve essere descritto per il sistema nel suo insieme. In altre parole, le particelle entangled agiscono come un'unità. La sovrapposizione si verifica quando una particella esiste in una combinazione di due stati quantistici contemporaneamente.

Quindi, mentre un bit di computer convenzionale codifica le informazioni come 0 o 1, un qubit può essere 0, 1 o una sovrapposizione di stati (entrambi 0 e 1 contemporaneamente). La capacità di un qubit di esistere in più stati significa che può, Per esempio, consentono il calcolo delle proprietà dei materiali e delle sostanze chimiche significativamente più velocemente rispetto ai computer tradizionali. E se questi qubit potessero essere collegati o intrecciati in un computer quantistico, problemi che oggi non possono essere risolti con i computer convenzionali potrebbero essere affrontati.

Ma portare i qubit a questo stato di coerenza quantistica, dove possono sfruttare le proprietà della meccanica quantistica e quindi sfruttarle al meglio quando si trovano in questo stato rimane una sfida.

"L'informatica quantistica è come giocare a una partita a scacchi in cui i pezzi e la scacchiera sono fatti di ghiaccio. Mentre i giocatori mischiano i pezzi, i componenti si stanno sciogliendo, e più mosse fai, più velocemente il gioco si scioglierà, " dice Carter. "I Qubit perdono coerenza in un brevissimo lasso di tempo, quindi sta a noi capire il set di mosse più utile che possiamo fare".

Carter osserva che l'approccio del Berkeley Lab di co-progettazione dei processori quantistici in stretta collaborazione con i ricercatori che sviluppano algoritmi quantistici, tecniche di compilazione e strumenti di programmazione saranno estremamente utili per rispondere a questa domanda.

"Gli approcci computazionali sono comuni nella maggior parte dei progetti scientifici al Berkeley Lab. Poiché la legge di Moore sta rallentando, nuove architetture di calcolo, sistema, e tecniche sono diventate un'iniziativa prioritaria al Berkeley Lab, "dice Horst Simon, Vicedirettore del Berkeley Lab. "Abbiamo riconosciuto presto come la simulazione quantistica potesse fornire un approccio efficace ad alcuni dei problemi computazionali più impegnativi della scienza, e sono lieto di vedere il riconoscimento della nostra iniziativa LDRD attraverso questo primo finanziamento diretto. La scienza dell'informazione quantistica diventerà un elemento sempre più importante della nostra impresa di ricerca in molte discipline".

Poiché questo campo è ancora agli albori, ci sono molti approcci per costruire un computer quantistico. I team guidati dal Berkeley Lab esamineranno i computer quantistici superconduttori.

Per progettare e fabbricare la prossima generazione di processori quantistici, il team AQuES sfrutterà la struttura del circuito superconduttore nel Quantum Nanoelectronics Laboratory della UC Berkeley incorporando l'esperienza dei ricercatori nella tecnologia degli acceleratori e nella fisica applicata del Berkeley Lab, Divisioni di Scienza dei materiali e Ingegneria. I team di ricerca utilizzeranno anche le capacità uniche di due strutture DOE; la Molecular Foundry e il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), entrambi situati al Berkeley Lab.