Gli scienziati russi stabiliscono un record mondiale nel campo dell'informatica quantistica.

C'è ancora chi considera le tecnologie quantistiche simili all'alchimia o addirittura all'esoterismo, e in genere non ci crede. Nel frattempo, le tecnologie quantistiche sono uno degli argomenti principali nei colloqui del capo dello Stato con i vertici delle corporazioni statali e dell'Accademia Russa delle Scienze, insieme alla microelettronica, ai nuovi materiali e all'esplorazione spaziale. Ciò significa che hanno un certo valore, e dobbiamo capire, almeno in senso semplificato, di cosa si tratta.

"Onda-particella" indivisibile

I libri di riferimento ci dicono che un quanto è la porzione più piccola e indivisibile di una grandezza fisica, come l'energia o la luce. Cioè, un quanto di luce è un singolo fotone, un quanto di materia è un atomo, un quanto di carica è la carica di un elettrone... I quanti si comportano sia come particelle che come onde, possedendo la proprietà di esistere in più stati simultaneamente. Ad esempio, un elettrone in un atomo non ha una traiettoria di rotazione fissa attorno al nucleo, come un pianeta attorno al Sole. Possiamo misurarne l'energia o la velocità, ma non possiamo individuarne la posizione senza distruggerne lo stato.

Questo stato di incertezza è chiamato sovrapposizione. Per illustrare questo principio, il fisico austriaco Erwin Schrödinger propose un esperimento mentale a metà degli anni '30: un gatto viene messo in una scatola buia con un veleno mortale, che potrebbe, con una certa probabilità, funzionare o meno. Pertanto, finché la scatola non viene aperta (ovvero il sistema non viene fermato), non sappiamo se il gatto è vivo o morto, e quindi si trova in una sovrapposizione "vivo-morto".

Un'altra caratteristica fondamentale della meccanica quantistica è l'entanglement quantistico. Ciò significa che gli stati di due o più particelle possono essere così strettamente interconnessi da non poter essere descritti separatamente, indipendentemente dalla distanza tra loro. Si "sentono" a vicenda, per così dire, anche a grande distanza, e un cambiamento in una particella comporta immediatamente un cambiamento nell'altra. Un esempio molto approssimativo di questo principio sono i calzini. Immagina di aver comprato un nuovo paio di calzini indistinguibili al supermercato. Ne dai uno a un amico che va a Vladivostok e tieni l'altro. Come fai a sapere quale calzino è finito a Vladivostok: quello sinistro o quello destro? Non lo saprai mai finché non eseguirai un'azione specifica con il tuo calzino, ovvero, lo indosserai. Se metti il ​​calzino sul piede destro, allora a Vladivostok, sarà automaticamente il tuo calzino sinistro.

I principi descritti vengono utilizzati per creare un computer quantistico. Ad esempio, in un computer classico, l'unità fondamentale di informazione è un bit, che può trovarsi solo in uno di due stati: "0" o "1" ("spento" o "acceso"). In un computer quantistico, l'equivalente di un bit è un qubit, che può trovarsi non solo nello stato "0" o "1", ma anche in una sovrapposizione di entrambi, ovvero rappresentare simultaneamente entrambi i valori con determinate probabilità. Utilizzando la sovrapposizione e l'entanglement, i computer quantistici sono teoricamente in grado di risolvere determinati problemi significativamente più velocemente dei più potenti supercomputer classici.

Il sistema binario scomparirà?

Sebbene l'idea del calcolo quantistico sia stata proposta per la prima volta nel 1980 dallo scienziato sovietico Yuri Manin e dall'americano Paul Benioff, la corsa al calcolo quantistico è iniziata solo nel 2018 (la Russia si è unita nel 2020). Come affermano gli sviluppatori, il concetto di "computer quantistico" è ancora agli albori e richiederà molto tempo per maturare.

Tuttavia, molti già affermano che, una volta pienamente sviluppato, questo miracolo della tecnologia e del pensiero umano differirà più dalla moderna tecnologia dell'abaco di quanto un computer moderno differisca da... un abaco. Mentre un abaco di legno e il nostro PC di tutti i giorni sono, dopotutto, anelli dello stesso sistema binario, la tecnologia dell'abaco quantistico sarà significativamente diversa, consentendo agli esseri umani di accedere a un regno di problemi e soluzioni completamente diverso, proprio come la creazione della navicella spaziale ci ha permesso di lasciare la Terra ed entrare nello spazio. Ricordiamo ora quale percentuale di persone all'alba dell'era spaziale credeva che ciò sarebbe mai accaduto?

Si prevede che l'accelerazione "spaziale" dei calcoli su un computer quantistico contribuirà a creare farmaci personalizzati, svelare i segreti del cervello e creare i sistemi di protezione dei dati più affidabili, come la crittografia. Tuttavia, un computer quantistico non sostituirà quello su cui è stato scritto questo articolo. Perché? Perché avrà compiti diversi, che vanno oltre le capacità di un computer convenzionale, proprio come i compiti di un razzo spaziale si estendono oltre le capacità del nostro treno ad alta velocità terrestre.

Architetti informatici

Lo sviluppo di computer quantistici basati simultaneamente su quattro diverse piattaforme quantistiche è attualmente considerato promettente: atomi neutri, fotoni, superconduttori e ioni. Anche la Russia, in quanto Paese leader in questo campo, sta perseguendo questi obiettivi. Gli esperti sono fiduciosi che questa diversità consentirà di ottenere i massimi risultati in vari ambiti dell'informatica. È anche possibile che, col tempo, uno di questi approcci di sviluppo si riveli un vicolo cieco o che emerga una nuova direzione promettente.

La tecnologia più avanzata oggi è considerata la creazione di qubit basati su circuiti superconduttori. Il detentore del record in questa classe è il processore quantistico Condor da 1.121 qubit di IBM.

Ma il numero di qubit da solo, afferma Ilya Semerikov, sviluppatore del computer quantistico russo a ioni da 50 qubit, non ci dice molto. In un computer quantistico, la qualità computazionale e la minimizzazione degli errori sono particolarmente preziose e, sotto questi aspetti, il nostro computer è quasi all'altezza di quello a 1121 qubit. Tuttavia, raggiungere la precisione del computer quantistico a ioni da 56 qubit Quantinuum H2-1 richiederà un certo lavoro.

Secondo Semerikov, il computer russo utilizza una catena di ioni di itterbio come qubit. La tecnologia dei qubit ionici si basa sull'uso di campi elettromagnetici per intrappolare singoli ioni nello spazio. Queste particelle sono "sospese" in una trappola e rimangono praticamente immobili, il che riduce le interferenze esterne e consente di mantenere il loro stato quantistico per un tempo relativamente lungo. Nella trappola ionica, le particelle vengono raffreddate quasi allo zero assoluto e il loro stato può essere manipolato utilizzando impulsi laser. La sequenza di questi impulsi costituisce la base degli algoritmi quantistici.

Quindi, il computer russo ha meno qubit di quello americano, ma questo numero ridotto di unità di informazione è compensato dall'elevata affidabilità delle operazioni. I ricercatori del FIAN hanno testato un'idea originale, utilizzando non un semplice qubit (sistema quantistico a due livelli) ma uno a quattro livelli – un sistema qudit – come singola unità di calcolo, che risulta da 2 a 6 volte più efficiente, a seconda degli algoritmi computazionali sottostanti.

Campioni degli stati sottili

Per alcuni algoritmi, questa particolare architettura si è rivelata più vantaggiosa, spingendo i nostri scienziati lo scorso anno a implementare i cosiddetti algoritmi di Grover, che offrono una significativa accelerazione degli algoritmi per la ricerca in database non ordinati e non ordinati. Nell'esperimento, hanno addestrato una rete neurale a ordinare immagini di cifre scritte a mano utilizzando un computer quantistico.

Più di recente, gli scienziati del Physics Institute si sono distinti per essere stati i primi al mondo a dimostrare un'operazione di entanglement multi-qubit, la "porta di Toffoli", sul loro computer quantistico, con il numero massimo di qubit. La notizia è stata recentemente pubblicata sulla prestigiosa rivista di fisica Physical Review Letters.

Riferimento MK: La porta Toffoli è un elemento di logica quantistica, una "leva" che agisce su tre qubit (bit quantistici). Cambia lo stato del terzo qubit solo se i primi due qubit sono nello stato "1" (ovvero, mostrano il valore corretto). Altrimenti, non cambia il terzo qubit e non ha alcun effetto sui primi due.

"Si trattava di un'operazione logica multi-qubit generalizzata su 10 qubit", spiega Ilya Semerikov. "Ad oggi, è la più grande operazione di questo tipo documentata nella letteratura scientifica globale. Questa porta (o 'leva') si applica a diversi algoritmi quantistici contemporaneamente, incluso l'algoritmo di correzione degli errori. E ciò che abbiamo dimostrato è in gran parte merito dei nostri teorici del gruppo di Alexey Fedorov; hanno ideato un modo per utilizzare sistemi quantistici multilivello per eseguire questa operazione multi-particella, diciamo, in 10 passaggi invece di 100.

– Quanto si sono già dimostrati potenti i computer quantistici rispetto a quelli convenzionali?

– Assolutamente no... Non ci sono ancora compiti utili in cui i computer quantistici superino quelli classici. Questo è il risultato a cui gli scienziati di tutto il mondo aspirano oggi.

– Ma ho letto, ad esempio, di nuovi farmaci contro il cancro che sono già stati scoperti utilizzando l'informatica quantistica...

Per ora, stiamo parlando di computer quantistici che eseguono un calcolo specifico per raggiungere un obiettivo finale. Per ora si tratta di progetti pilota, per imparare a lavorare con i computer quantistici. Lasciate che vi faccia un'analogia: avete una macchina che sa contare bene da 1 a 100, e io ve ne presento un'altra che sa contare solo fino a 3, ma molto velocemente. Dicono: "Ok, aumenta la sua potenza di 30 volte, e poi vedremo se sa contare fino a 100". Questo è il livello dei nostri computer quantistici odierni.

L'intelligenza artificiale, un'altra tecnologia promettente, sembra aver fatto molti progressi. Gli sforzi per creare un computer quantistico "maturo" saranno vani?

"Certamente, l'intelligenza artificiale sta attualmente mostrando ottimi risultati. In termini di creazione di farmaci e composti chimici complessi, le reti neurali stanno attualmente ottenendo risultati molto migliori. Le utilizziamo anche per ottimizzare il nostro computer quantistico. Ma c'è una differenza: l'intelligenza artificiale funziona solo quando c'è un campione ampio, un database specifico, e deve solo "indovinare" e "completare" il quadro che il cliente – l'essere umano – si aspetta. Un computer quantistico, invece, può funzionare senza dati iniziali o formazione preliminare.

– Ma cosa ci permette di credere nelle sue possibilità future?

"In generale, un computer quantistico è ancora sorprendente di per sé. Molti, anche tra gli sviluppatori, non capiscono ancora come riesca a eseguire calcoli anche semplici! Il record mondiale che abbiamo dimostrato con l'algoritmo di Toffoli è un risultato importante sulla strada verso applicazioni pratiche concrete in futuro. Un computer quantistico dovrebbe assistere un computer classico nella risoluzione di problemi potenzialmente più complessi, come la modellazione di materiali e composti chimici fondamentalmente nuovi, logistica complessa ed energia. Gli algoritmi per tali problemi sono noti, ma affinché funzionino, un computer quantistico deve diventare di diversi ordini di grandezza più potente di quanto non sia oggi. Anche i teorici e gli algoritmisti quantistici stanno continuando il loro lavoro e spero che vedremo presto nuove classi di algoritmi quantistici."