Quando scienziati e ingegneri si trovano a dover affrontare problemi difficili, si rivolgono ai supercomputer. Si tratta di computer classici molto grandi, spesso dotati di migliaia di core di CPU e GPU in grado di eseguire calcoli molto grandi e intelligenza artificiale avanzata. Tuttavia, anche i supercomputer sono macchine a codice binario che si basano sulla tecnologia transistor del XX secolo. In altre parole, fanno fatica a risolvere certi tipi di problemi.

Se un supercomputer si blocca, probabilmente è perché alla grande macchina classica è stato chiesto di risolvere un problema con un alto grado di complessità. Quando i computer classici "falliscono", spesso è a causa della complessità.

I problemi complessi sono problemi con molte variabili che interagiscono in modi complicati. Modellare il comportamento dei singoli atomi in una molecola è un problema complesso, a causa di tutti i diversi elettroni che interagiscono tra loro. Anche l'identificazione di sottili schemi di frode nelle transazioni finanziarie o la nuova fisica in un supercollisore sono problemi complessi. Ci sono alcuni problemi complessi che non sappiamo come risolvere con i computer classici su qualsiasi scala.

Il mondo reale si basa sulla fisica quantistica. I computer che eseguono calcoli utilizzando gli stati quantistici dei bit quantistici dovrebbero essere, in molte situazioni, i nostri migliori strumenti di comprensione.

Diamo un'occhiata a un esempio che mostra come i computer quantistici possano riuscire dove i computer classici falliscono:

Un computer classico potrebbe essere ottimo per compiti difficili come ordinare un grande database di molecole. Ma fatica a risolvere problemi più complessi, come simulare il comportamento di quelle molecole.

Oggi, se gli scienziati vogliono sapere come si comporta una molecola, devono sintetizzarla e sperimentarla nel mondo reale. Se vogliono sapere come una piccola modifica influisce sul suo comportamento, di solito devono sintetizzare la nuova versione e ripetere l'esperimento. Si tratta di un processo costoso e dispendioso in termini di tempo che impedisce il progresso in campi diversi come la medicina e la progettazione di semiconduttori.

Un supercomputer classico potrebbe provare a simulare il comportamento molecolare con la forza bruta, utilizzando i suoi numerosi processori per esplorare ogni possibile modo in cui ogni parte della molecola potrebbe comportarsi. Ma appena supera le molecole più semplici e lineari disponibili, il supercomputer si blocca. Nessun computer ha la memoria di lavoro necessaria per gestire tutte le possibili permutazioni del comportamento molecolare con i metodi conosciuti.

Gli algoritmi quantistici adottano un nuovo approccio a questo tipo di problemi complessi, creando spazi computazionali multidimensionali. Questo risulta essere un modo molto più efficiente di risolvere problemi complessi come le simulazioni chimiche.

Non abbiamo un buon modo per creare questi spazi computazionali con i computer classici, il che limita la loro utilità senza il calcolo quantistico. I chimici industriali stanno già esplorando modi per integrare i metodi quantistici nel loro lavoro. Questo è solo un esempio. Società di ingegneria, istituzioni finanziarie, compagnie di navigazione globali, solo per citarne alcuni, stanno esplorando casi d’uso in cui i computer quantistici potrebbero risolvere importanti problemi nei loro campi. All'orizzonte, si profila un'esplosione di benefici derivanti dalla ricerca e dallo sviluppo in campo quantistico. Con la scalabilità dell'hardware quantistico e il progresso degli algoritmi quantistici, molti problemi importanti come la simulazione molecolare dovrebbero trovare una soluzione.

Un processore IBM Quantum è un wafer non molto più grande di quello che si trova in un laptop. Un sistema hardware quantistico ha all'incirca le dimensioni di un'automobile ed è costituito principalmente da sistemi di raffreddamento per mantenere il processore superconduttore alla sua temperatura operativa ultra-fredda.

Un processore classico utilizza bit classici per eseguire le sue operazioni. Un computer quantistico utilizza qubit (bit CUE) per eseguire algoritmi quantistici multidimensionali.

Superconduttori

Probabilmente il tuo computer desktop utilizza una ventola per raffreddarsi a sufficienza e poter, così, funzionare. I nostri processori quantistici devono essere molto freddi, circa un centesimo di grado sopra lo zero assoluto, per evitare la "decoerenza" o mantenere i loro stati quantistici. Per raggiungere questo obiettivo, utilizziamo superfluidi ultra-raffreddati. A queste temperature bassissime, alcuni materiali presentano un importante effetto meccanico quantistico: gli elettroni si muovono attraverso di essi senza resistenza. Ciò li rende "superconduttori".  

Quando gli elettroni passano attraverso i superconduttori, si accoppiano, formando "coppie di Cooper". Queste coppie possono trasportare una carica attraverso barriere, o isolanti, tramite un processo noto come tunneling quantistico. Due superconduttori collocati su entrambi i lati di un isolante formano una giunzione Josephson.

Controllo

I nostri computer quantistici utilizzano le giunzioni Josephson come qubit superconduttori. Sparando fotoni a microonde a questi qubit, possiamo controllarne il comportamento e far sì che essi contengano, modifichino e leggano singole unità di informazioni quantistiche.

Sovrapposizione

Un qubit non è di per sé molto utile. Ma può eseguire un trucco importante: mettere le informazioni quantistiche che contiene in uno stato di sovrapposizione, che rappresenta una combinazione di tutte le possibili configurazioni del qubit. I gruppi di qubit in sovrapposizione possono creare spazi computazionali complessi e multidimensionali. In questi spazi, è possibile rappresentare problemi complessi in modi nuovi.

Entanglement

L'entanglement quantistico è un effetto che mette in relazione il comportamento di due cose separate. I fisici hanno scoperto che quando due qubit sono entangled, le modifiche a un qubit hanno un impatto diretto sull'altro.

Interferenza

In un ambiente di qubit entanged posti in uno stato di sovrapposizione, ci sono onde di probabilità. Queste sono le probabilità dei risultati di una misurazione del sistema. Queste onde possono accumularsi l'una sull'altra quando molte di esse raggiungono il picco in corrispondenza di un particolare risultato, oppure annullarsi a vicenda quando i picchi e le depressioni interagiscono. In entrambi i casi, si tratta di forme di interferenza.

Un calcolo su un computer quantistico funziona preparando una sovrapposizione di tutti gli stati computazionali possibili. Un circuito quantistico, preparato dall'utente, utilizza l'interferenza in modo selettivo sui componenti della sovrapposizione secondo un algoritmo. Molti risultati possibili vengono annullati dall'interferenza, mentre altri vengono amplificati. I risultati amplificati costituiscono le soluzioni per il calcolo.

I computer quantici di IBM sono programmati utilizzando Qiskit, il nostro SDK quantistico open source basato su Python. Qiskit dispone di moduli che coprono applicazioni in finanza, chimica, ottimizzazione e apprendimento automatico.

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