Alcuni problemi di matematica sono così complicati che possono impantanare anche i supercomputer più potenti del mondo. Ma una nuova frontiera selvaggia dell'informatica che applica le regole del regno quantistico offre un approccio diverso.

Un nuovo studio condotto da un fisico del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici , spiega in dettaglio come una tecnica di calcolo quantistico chiamata "ricottura quantistica" può essere utilizzata per risolvere problemi relativi a questioni fondamentali nella fisica nucleare sui mattoni subatomici di tutta la materia. Potrebbe anche aiutare a rispondere ad altre fastidiose domande nella scienza e nell'industria, pure.

Alla ricerca di una soluzione quantistica a problemi davvero grandi

"Non esiste alcun algoritmo di ricottura quantistica per i problemi che stiamo cercando di risolvere, " disse Chia Cheng "Jason" Chang, un ricercatore RIKEN iTHEMS presso la divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab e un ricercatore scientifico presso RIKEN, un istituto scientifico in Giappone.

"I problemi che stiamo esaminando sono davvero, veramente grande, " disse Chang, che ha guidato il team internazionale dietro lo studio. "L'idea qui è che il ricottore quantistico può valutare un gran numero di variabili allo stesso tempo e restituire alla fine la soluzione giusta".

Lo stesso algoritmo di risoluzione dei problemi che Chang ha ideato per l'ultimo studio, e che è disponibile al pubblico tramite codice open source, potrebbe essere potenzialmente adattato e ridimensionato per l'uso nell'ingegneria dei sistemi e nella ricerca operativa, Per esempio, o in altre applicazioni industriali.

Algebra classica con un computer quantistico

"Stiamo preparando piccoli esempi di 'giocattolo' solo per sviluppare come funziona un algoritmo. La semplicità degli attuali ricottori quantistici è che la soluzione è classica, simile a fare l'algebra con un computer quantistico. Puoi controllare e capire cosa stai facendo con un ricottore quantistico in modo semplice, senza l'enorme sovraccarico di verificare la soluzione in modo classico."

Il team di Chang ha utilizzato un ricottore quantistico commerciale situato a Burnaby, Canada, chiamato D-Wave 2000Q che presenta elementi elettronici superconduttori raffreddati a temperature estreme per eseguire i suoi calcoli.

L'accesso al ricottore D-Wave è stato fornito tramite l'Oak Ridge Leadership Computing Facility presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL). "Questi metodi ci aiuteranno a testare la promessa dei computer quantistici di risolvere problemi di matematica applicata che sono importanti per la missione di calcolo scientifico del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, " ha detto Travis Humble, direttore del Quantum Computing Institute dell'ORNL.

Dati quantistici:uno, uno zero, o entrambi allo stesso tempo

Ci sono attualmente due di queste macchine in funzione che sono disponibili al pubblico. Funzionano applicando una regola comune in fisica:i sistemi in fisica tendono a cercare il loro stato di energia più bassa. Per esempio, in un susseguirsi di ripide colline e profonde vallate, una persona che attraversa questo terreno tende a finire nella valle più profonda, poiché ci vuole molta energia per uscirne e la minima per stabilirsi in questa valle.

Il ricottore applica questa regola ai calcoli. In un tipico computer, la memoria è immagazzinata in una serie di bit che sono occupati da uno o da uno zero. Ma l'informatica quantistica introduce un nuovo paradigma nei calcoli:bit quantistici, o qubit. Con i qubit, le informazioni possono esistere come una, uno zero, o entrambi contemporaneamente. Questa caratteristica rende i computer quantistici più adatti a risolvere alcuni problemi con un numero molto elevato di possibili variabili che devono essere considerate per una soluzione.

Ciascuno dei qubit utilizzati nell'ultimo studio alla fine produce un risultato di uno o zero applicando la regola dello stato di energia più bassa, e i ricercatori hanno testato l'algoritmo utilizzando fino a 30 qubit logici.

L'algoritmo che Chang ha sviluppato per essere eseguito sul ricottore quantistico può risolvere equazioni polinomiali, che sono equazioni che possono avere sia numeri che variabili e sono impostate per sommare fino a zero. Una variabile può rappresentare qualsiasi numero in un ampio intervallo di numeri.

Quando ci sono "meno calcoli ma molto densi"

Il Berkeley Lab e la vicina UC Berkeley sono diventati un focolaio di ricerca e sviluppo nel campo emergente della scienza dell'informazione quantistica, e l'anno scorso ha annunciato la formazione di una partnership chiamata Berkeley Quantum per far avanzare questo campo.

Chang ha affermato che l'approccio di ricottura quantistica utilizzato nello studio, noto anche come calcolo quantistico adiabatico, "funziona bene per meno calcoli ma molto densi, " e che la tecnica gli piaceva perché le regole della meccanica quantistica gli sono familiari come fisico.

L'output dei dati dal ricottore era una serie di soluzioni per le equazioni ordinate in colonne e righe. Questi dati sono stati poi mappati in una rappresentazione dei qubit del ricottore, Chang ha spiegato, e la maggior parte dell'algoritmo è stata progettata per tenere adeguatamente conto della forza dell'interazione tra i qubit del ricottore. "Abbiamo ripetuto il processo migliaia di volte" per convalidare i risultati, Egli ha detto.

"Risolvere il sistema in modo classico utilizzando questo approccio richiederebbe un tempo esponenzialmente lungo per essere completato, ma la verifica della soluzione è stata rapidissima" con la ricottura, Egli ha detto, perché stava risolvendo un problema classico con un'unica soluzione. Se il problema fosse di natura quantistica, la soluzione dovrebbe essere diversa ogni volta che la si misura.

Applicazioni reali per un algoritmo quantistico

Poiché i computer quantistici sono dotati di più qubit che consentono loro di risolvere più rapidamente problemi più complessi, possono anche potenzialmente portare a risparmi energetici riducendo l'uso di supercomputer molto più grandi che potrebbero impiegare molto più tempo per risolvere gli stessi problemi.

L'approccio quantistico mette a disposizione soluzioni dirette e verificabili a problemi che coinvolgono sistemi "non lineari", in cui il risultato di un'equazione non corrisponde proporzionalmente ai valori di input. Le equazioni non lineari sono problematiche perché possono apparire più imprevedibili o caotiche di altri problemi "lineari" che sono molto più diretti e risolvibili.

Chang ha cercato l'aiuto di esperti di informatica quantistica sia negli Stati Uniti che in Giappone per sviluppare l'algoritmo testato con successo. Ha detto che è fiducioso che l'algoritmo alla fine si rivelerà utile per i calcoli che possono testare come si comportano i quark subatomici e interagiscono con altre particelle subatomiche nei nuclei degli atomi.

Anche se sarà un entusiasmante passo successivo lavorare per applicare l'algoritmo per risolvere i problemi di fisica nucleare, "Questo algoritmo è molto più generale che per la scienza nucleare, " ha osservato Chang. "Sarebbe eccitante trovare nuovi modi per utilizzare questi nuovi computer".