Che cos'è l'informatica quantistica e perché da essa dipende il futuro della Terra?

La potenza di calcolo sta raggiungendo un punto di crisi. Se continuiamo a seguire la tendenza in atto da quando sono stati introdotti i computer, entro il 2040, non avremo la capacità di alimentare tutte le macchine del mondo, a meno che non decidiamo il calcolo quantistico.

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I computer quantistici promettono velocità più elevate e una sicurezza più solida rispetto alla loro controparte classica e gli scienziati si sono sforzati di creare un computer quantistico per decenni.

Cos'è la quantistica e come ci aiuta?

L'informatica quantistica differisce dall'informatica classica in un modo fondamentale: il modo in cui le informazioni vengono archiviate. L'informatica quantistica sfrutta al massimo una strana proprietà della meccanica quantistica, chiamata sovrapposizione. Significa che una 'unità' può contenere molte più informazioni rispetto all'equivalente trovato nell'informatica classica.

Le informazioni vengono memorizzate in ' bit 'in stato' 1 ' o ' 0 ,' come un interruttore della luce che si accende o si spegne. Al contrario, l'informatica quantistica può includere un'unità di informazione che può essere ' 1 , '' 0 ,' o a sovrapposizione dei due stati .

Pensa a una sovrapposizione come a una sfera. ' 1 ' è scritto al polo nord, e ' 0 ' è scritto a sud: due bit classici. Tuttavia, un bit quantistico (o qubit) può essere trovato ovunque tra i poli.

I bit quantici che possono essere attivati ​​e disattivati ​​allo stesso tempo, forniscono un paradigma rivoluzionario e ad alte prestazioni in cui le informazioni vengono archiviate ed elaborate in modo più efficiente, ha affermato il dott. Kuei-Lin Chiu ad Alphr nel 2017. Il Dr. Chiu era un ricercatore per il comportamento quantomeccanico dei materiali presso il Massachusetts Institute of Technology.

La capacità di memorizzare una quantità molto maggiore di informazioni in un'unità significa che il calcolo quantistico può essere più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai computer che usiamo oggi. Allora perché è così difficile da raggiungere?

Fare qubit

I qubit, la spina dorsale di un computer quantistico, sono difficili da realizzare e, una volta stabiliti, sono ancora più difficili da controllare. Gli scienziati devono farli interagire in modi specifici che funzionerebbero in un computer quantistico.

I ricercatori hanno provato a utilizzare materiali superconduttori, ioni trattenuti in trappole ioniche, singoli atomi neutri e molecole di varia complessità per costruirli. Tuttavia, farli trattenere a lungo le informazioni quantistiche si sta rivelando difficile.

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In una ricerca recente, gli scienziati del MIT hanno ideato un nuovo approccio, utilizzando come qubit un gruppo di molecole semplici composte da soli due atomi.

Stiamo usando molecole ultrafredde come 'qubit', ha detto ad Alphr il professor Martin Zwierlein, autore principale dell'articolo nel 2017. Le molecole sono state a lungo proposte come vettori di informazioni quantistiche, con proprietà molto vantaggiose rispetto ad altri sistemi come atomi, ioni, qubit superconduttori , ecc. Qui mostriamo per la prima volta che è possibile memorizzare tali informazioni quantistiche per lunghi periodi in un gas di molecole ultrafredde. Ovviamente un eventuale computer quantistico dovrà fare anche dei calcoli, ad esempio far interagire i qubit tra loro per realizzare le cosiddette porte. Zwierlein ha continuato, Ma prima, devi dimostrare che puoi persino conservare le informazioni quantistiche, ed è quello che abbiamo fatto.

I qubit creati al MIT hanno trattenuto le informazioni quantistiche più a lungo dei tentativi precedenti, ma ancora solo per un secondo. Questo lasso di tempo potrebbe sembrare breve, ma in realtà è dell'ordine di mille volte più lungo di un esperimento comparabile che è stato fatto, ha spiegato Zwierlein.

Più di recente, i ricercatori dell'Università del New South Wales hanno compiuto un importante passo avanti nella spinta verso l'informatica quantistica. Hanno inventato un nuovo tipo di qubit chiamato qubit flip-flop, che utilizza l'elettrone e il nucleo di un atomo di fosforo. Sono controllati da un segnale elettrico anziché magnetico, rendendoli più facili da distribuire. Il qubit 'flip-flop' funziona allontanando l'elettrone dal nucleo usando un campo elettrico, creando un dipolo elettrico.

Oltre i qubit

Tuttavia, non sono solo i qubit che gli scienziati devono capire. Devono anche determinare il materiale per realizzare con successo i chip di calcolo quantistico.

Chiu's carta , pubblicato all'inizio del 2017, ha trovato strati ultrasottili di materiali che potrebbero costituire la base per un chip di calcolo quantistico. Chiu disse ad Alphr: La cosa interessante di questa ricerca è come scegliamo il materiale giusto, scopriamo le sue proprietà uniche e usiamo il suo vantaggio per costruire un qubit adatto.

La legge di Moore prevede che la densità dei transistor sui chip di silicio raddoppi circa ogni 18 mesi, ha detto Chiu ad Alphr. Tuttavia, questi transistor progressivamente ridotti alla fine raggiungeranno una piccola scala in cui la meccanica quantistica svolge un ruolo importante.

La legge di Moore, a cui si riferiva Chiu, è un termine informatico sviluppato dal co-fondatore di Intel Gordon Moore nel 1970. Essa afferma che la potenza di elaborazione complessiva per i computer raddoppia circa ogni due anni. Come afferma Chiu, la densità dei chip diminuisce, un problema a cui i chip di calcolo quantistico possono potenzialmente rispondere.

L'informatica quantistica è il vaporware definitivo?

Cos'è il vaporware?

Nel caso non avessi mai sentito parlare del termine vaporware , è essenzialmente un prodotto correlato al software che viene pubblicizzato ma non ancora disponibile o forse non sarà mai disponibile. Un esempio è un prodotto software che è stato pesantemente commercializzato ma non ha mai visto la luce del giorno.

Nonostante le persone abbiano fatto previsioni ottimistiche per decenni sull'impatto dei computer quantistici e sui vari progressi negli ambienti aziendali e di ricerca, quanto siamo vicini alla realizzazione del sogno dell'informatica quantistica? Questa situazione è una previsione del futuro vaporware o diventerà qualcosa di utile?

Approfondiamo il realtà dell'informatica quantistica in un altro articolo. In sintesi, un computer quantistico eseguirà probabilmente un calcolo molto irrealistico più velocemente di un computer convenzionale nel prossimo anno o due. Tuttavia, non sarà un processo semplice e non sarà economico o vantaggioso per i consumatori di tutti i giorni.