Man mano che i nuovi dispositivi avvicinano l'informatica quantistica all'uso pratico, il giornale Natura ha recentemente chiesto all'informatica di Princeton Margaret Martonosi ea due colleghi di valutare lo stato del software necessario per sfruttare questo potente approccio computazionale.

Basandosi su sottili effetti della meccanica quantistica per l'archiviazione e il calcolo dei dati, I computer quantistici promettono di accelerare notevolmente alcuni tipi di calcoli. Martonosi, il professore di informatica di Hugh Trumbull Adams '35, spiegato in un'intervista che sebbene i computer quantistici siano fondamentalmente diversi da quelli classici, entrambi richiedono un'efficiente catena di software per funzionare. I suoi coautori in Nature sono i professori di informatica Frederic Chong e Diana Franklin dell'Università di Chicago.

Cos'è l'informatica quantistica, e in cosa differisce dall'informatica standard o classica?

Nell'informatica classica, abbiamo costruito computer per molti anni che si basano su valori binari per quello che chiamiamo stato, o i dati di archiviazione, nella macchina. Quindi il valore può essere 0 o 1. E abbiamo sviluppato la capacità di eseguire operazioni aritmetiche o logiche basate sui valori 0 o 1. Nei computer quantistici, invece di questi classici 0 o 1 bit, abbiamo i cosiddetti bit quantistici o qubit. Puoi pensare a un qubit come a una distribuzione probabilistica di molti valori possibili. Quindi non è 0 o 1, ma qualche "sovrapposizione" di stati diversi. Essere in grado di manipolare questi stati complessi, si possono fare calcoli unici che vanno oltre la semplice addizione o operazioni logiche di un computer classico.

Il calcolo quantistico consente di eseguire calcoli notevolmente più potenti, almeno concettualmente, con relativamente meno qubit rispetto ai bit di stato richiesti da un'alternativa classica. Ci sono alcuni algoritmi quantistici che mostrano l'opportunità di una notevole accelerazione, a volte anche un'accelerazione esponenziale, oltre l'approccio classico. Per esempio, ci sono alcuni problemi su larga scala che richiederebbero decine o centinaia di anni per essere elaborati su una macchina classica, rendendoli sostanzialmente intrattabili, ma se esistesse un hardware quantistico adatto, il corrispondente algoritmo quantistico potrebbe consentire di risolvere questi compiti in poche ore anziché in decenni. È il fatto che possiamo fare cose potenzialmente esponenzialmente più veloci in un computer quantistico che ha portato il mondo ad essere molto incuriosito dalle possibilità.

Quindi un computer quantistico non è solo una versione più veloce di un computer standard?

Sta usando caratteristiche fisiche profondamente diverse per fare i calcoli. E questo gli permette di essere più veloce, potenzialmente, ad alcuni calcoli, sebbene si basi ancora sulla sequenza classica delle operazioni e sul controllo classico delle operazioni. Quindi una delle grandi aree di enfasi negli ultimi 10 anni è stata ottenere da algoritmi quantistici che mostrano un'accelerazione teoricamente esponenziale per vedere come questi algoritmi si mapperanno davvero su hardware quantistico reale, e che tipo di accelerazioni saranno possibili quando inizieremo a costruire un vero hardware quantistico.

Il tuo articolo in Natura afferma che l'informatica quantistica ha raggiunto una fase critica, che tu chiami "punto di flesso". Perché ora?

È una serie di cose. Per molti anni abbiamo avuto algoritmi quantistici che abbozzavano teoricamente come potevano usare la sovrapposizione quantistica e l'entanglement (la capacità degli stati quantistici di interagire tra loro), ma non aveva alcun hardware su cui mappare. Nel frattempo, c'erano fisici che stavano costruendo tecnologie qubit individuali, ma costruendo così pochi qubit, uno alla volta, o due alla volta, che non potevi davvero avere un'idea di come effettivamente calcolare con loro.

Quello che sta succedendo ora è che il numero di qubit che possono essere costruiti sarà prevedibilmente presto abbastanza grande da dover pensare praticamente a come costruire sistemi per calcolare con loro. Quindi, dove in precedenza era accettabile creare semplicemente singoli qubit e testarne le caratteristiche in un modo una tantum, ora le persone stanno iniziando a pensare a come costruirci dei veri sistemi di computer, compresa la comprensione di come funzionerà l'archiviazione, come funzionerà la comunicazione.

Quindi, quando parliamo di costruire compilatori quantistici (software che esegue le istruzioni dei programmi nell'hardware) o flussi di strumenti quantistici (software che ottimizza le applicazioni), lo facciamo per alcuni motivi. Una ragione è che quando vengono costruiti computer quantistici di dimensioni sempre più interessanti, vogliamo essere in grado di compilare per loro. Un altro motivo è che, anche prima che le macchine siano costruite, vogliamo essere in grado di valutare meglio i diversi compromessi di progettazione. Quindi lo strumento scorre che il documento discute, il tipo su cui io e i miei collaboratori abbiamo lavorato, sono un modo per fare alcune delle valutazioni che aiuteranno a vedere quali algoritmi beneficiano di quali scelte tecnologiche, o quali scelte organizzative, mentre i ricercatori costruiscono l'hardware.

L'altro aspetto del punto di svolta è in termini di interessi e finanziamenti. Ora siamo a un punto in cui è possibile utilizzare un computer quantistico a 16 qubit sul web. IBM, attraverso il suo sforzo di Quantum Experience, ha messo fuori un computer quantistico che chiunque può usare. Google, Microsoft, Intel e altri stanno tutti spingendo per costruire computer quantistici sostanzialmente più grandi di quelli che sono mai stati costruiti. E c'è una piccola corsa in corso per vedere chi arriverà lontano e quando. Quindi, con l'industria che dedica una notevole attenzione alla costruzione di computer quantistici, Penso che abbia aumentato la credibilità che ci sia qualcosa qui, c'è qualcosa su cui concentrarsi. E come risultato, ha aumentato il ritmo con cui si sono mosse anche altre parti dello spazio di ricerca quantistica.

L'informatica quantistica potrebbe essere ampia quanto l'informatica classica o è probabile che sia più specializzata?

Se guardi agli algoritmi quantistici che sono stati sviluppati finora, sono relativamente concentrati. Ci sono alcune aree in cui il quantum mostra il potenziale per l'accelerazione, ma ci sono molte aree in cui non abbiamo ancora algoritmi quantistici che mostrano l'accelerazione. Quindi nessuno vede l'informatica quantistica soppiantare completamente il classico. Non sarà utilizzato in questo modo nel prossimo futuro. Piuttosto, le persone vedono il calcolo quantistico utile per alcuni calcoli molto mirati. Puoi pensarlo come un acceleratore specializzato per quei calcoli.

Per molti anni, un catalizzatore chiave per l'interesse nell'informatica quantistica è stato il fatto che molti dei nostri attuali metodi di crittografia si basano sul presupposto che la fattorizzazione di grandi numeri sarà difficile dal punto di vista computazionale. E l'informatica quantistica, in particolare qualcosa chiamato algoritmo di Shor, ha mostrato un modo per accelerare drasticamente questa scomposizione. Così per molti anni, uno dei principali elementi che hanno attirato l'attenzione sul quantistico era la preoccupazione se l'informatica quantistica avrebbe potuto - citare, unquote—"interrompe la crittografia."

Quello che stiamo vedendo in questo momento è, Prima di tutto, la comunità della crittografia sta sviluppando nuovi algoritmi progettati per essere resistenti ai quanti. Sta progredendo a un certo livello. Contemporaneamente, stiamo vedendo che l'algoritmo di fattorizzazione che potrebbe "infrangere la crittografia" richiede in realtà così tanti qubit che ci vorrà un po' di tempo prima di poterlo utilizzare per fattorizzare i grandi numeri utilizzati nei nostri algoritmi di crittografia. Così, per tale motivo, il factoring non è la più grande fonte di attenzione algoritmica in questo momento all'interno della stessa comunità di calcolo quantistico.

Ma piuttosto, ci sono altri algoritmi che stanno attirando l'attenzione in termini di cose come la simulazione di molecole. La cosiddetta chimica quantistica è di interesse in questi giorni, e sembra essere un'area di applicazione che potremmo raggiungere prima con i tipi di macchine che prevediamo di poter costruire prima nella timeline.

Nel documento citi il ​​concetto di sistemi ibridi che combinano calcolo classico e quantistico.

È inevitabile. Non costruirai sistemi di computer quantistici che sono esclusivamente quantistici. E le persone nel campo lo sanno, ma non è stato ben rappresentato al mondo esterno. Per far funzionare un computer quantistico, e per eseguire una serie di operazioni quantistiche, avrai ancora un classico sequenziatore di controllo che interviene attraverso una serie di manipolazioni fisiche. E così avrai sempre questo classico controllo delle operazioni quantistiche.

Quindi quella dualità sarà lì, qualunque cosa accada. E c'è del lavoro interessante da fare per decidere come organizzarlo, quanto controllo classico va dove. Le operazioni quantistiche sono spesso eseguite a temperature molto basse, vicino allo zero assoluto. La domanda è, quanto di quel controllo classico può essere fatto a quelle temperature rispetto a quanto dovrebbe essere fatto a temperatura ambiente nel modo in cui siamo abituati a fare il calcolo classico? E così questi tipi di compromessi di progettazione rimangono per lo più senza risposta.

Il calcolo quantistico è molto eccitante, ma non c'è alcuna garanzia che l'informatica quantistica avrà la stessa traiettoria o lo stesso respiro che ha avuto l'informatica classica. In molti modi, tutto in questo momento sembra che il calcolo quantistico possa essere più ristretto del classico nelle sue applicazioni. Ma è comunque utile e istruttivo cercare di esaminare diversi cicli di innovazione e cercare di vedere dove si vedono paralleli o meno.

L'informatica quantistica potrebbe essere solo un altro modo utile per fare informatica?

La speranza è che acceleri un po' certe cose. Così, Per esempio, se la chimica quantistica diventa l'applicazione praticabile che sembra essere, allora si può immaginare che essendo profondamente influente per cose come l'agricoltura, capire come costruire fertilizzanti migliori, e così via, e anche per lo sviluppo di farmaci. Quindi, anche se è in qualche modo focalizzato su dove ha applicabilità, potrebbe essere ancora molto impattante in quelle aree.