Dopo due anni di ricerche, Google e NASA hanno finalmente lanciato il primo prototipo di computer quantistico. Il suo nome è D-Wave, e l’azienda produttrice afferma che potrà portare a termine un processo 100 milioni di volte più velocemente di un normale pc. Ma come opera nello specifico un computer quantistico?
Per capirlo, facciamo un salto indietro alla costruzione delle prime macchine informatiche nella prima metà del ‘900. Dalla celebre Macchina di Turing, i computer hanno fatto grandi progressi, e le loro componenti si sono fatte sempre più piccole e potenti. Siamo riusciti a realizzare dei circuiti integrati, conosciuti generalmente come microchip. Un microchip è un circuito elettrico miniaturizzato, solitamente in silicio, che analizza e converte segnali di input in segnali di output.
Ora, i microchip sono formati da unità base dette transistor, che funzionano come interruttori: bloccano o aprono il passaggio alle informazioni. Dagli anni ‘80 queste componenti fondamentali sono diventate sempre più piccole, e oggi hanno circa le dimensioni di 32 nanometri: per fare un paragone, il virus dell’HIV misura più o meno 120 nanometri. Siccome sono ormai composti da pochi atomi, se dovessero rimpicciolirsi, raggiungerebbero le dimensioni di un elettrone. Gli elettroni però sono particelle elementari, quindi seguono le leggi della meccanica quantistica.
Quello a cui puntano gli informatici adesso è lo sviluppo di computer le cui unità base possano sfruttare le proprietà di questa misteriosa branca della fisica moderna. E progettano di farlo introducendo l’enigmatico qubit.
I computer tradizionali misurano l’informazione tramite il bit, un’unità di misura che codifica i messaggi in una serie di 1 e di 0. Ma in un computer quantistico è il qubit (quantum bit) a trasportare le informazioni. La peculiarità del qubit consiste nel potersi servire della sovrapposizione di stati (quantum superposition), una proprietà della meccanica quantistica. Cercheremo di comprenderla meglio facendo un confronto col paradosso del gatto di Schrödinger.
Prendiamo un gatto, e chiudiamolo in una scatola, isolandolo del tutto dall’esterno. Mettiamo nella scatola un dispositivo programmato per sparare al gatto, ma con solo il 50% di possibilità di attivarsi. Se pensiamo in termini di meccanica quantistica, che analizza probabilità e non dati certi, giungiamo a questa conclusione: prima di aprire la scatola e verificare coi nostri occhi, ci sono le medesime possibilità che il felino sia vivo o che sia morto. Il nostro animale esiste in una condizione di stati sovrapposti (vivo e morto), ed è come se vivesse e morisse contemporaneamente. Il qubit funziona proprio così: prima di essere rilevato è sia 1 che 0, in questo modo trasporta il doppio delle informazioni.
La sovrapposizione di stati non è l’unico vantaggio fornito dal qubit; proprietà ben più complesse, come l’entanglement o il tunneling quantistico, lo rendono molto versatile e funzionale.
Finora realizzare un computer quantistico funzionante è stato assai difficile: quando si manipolano particelle tanto piccole, siccome sono assai mutevoli, si rischia di veicolare informazioni scorrette, o di perderne. Inoltre, i circuiti di un super-computer andrebbero conservati a temperature bassissime, vicine allo zero assoluto, per evitare resistenze alla corrente elettrica.
Un computer quantistico risulterebbe utile in moltissimi ambiti: dalla crittografia, alle missioni aereospaziali, dalle simulazioni, all’intelligenza artificiale. Il prototipo di Google e NASA sarà utilizzabile dal 2020, e sarà testato per la prima volta dagli studiosi del Los Alamos Laboratory. Adesso possiamo solo attendere i primi risultati, per scoprire dove il progresso e l’informatica ci condurranno.
Di Anna Passanese
Traduzione di Anna Passanese
Immagine da datamanager.it
After two years of research, Google and NASA have finally launched the first prototype of a quantum computer. Its name is D-Wave, and the manufacturer says it will be able to complete a process 100 million times faster than a regular PC. But how does a quantum computer specifically operate?
To understand this, let’s take a step back to the construction of the first computer machines in the first half of the 1900s. Since the famous Turing Machine, computers have made great progress, and their components have become smaller and more powerful. We were able to create integrated circuits, generally known as microchips. A microchip is a miniaturized electrical circuit, usually in silicon, that analyzes and converts input signals into output signals.
Now, microchips are made up of basic units called transistors, which function as switches: they block or open the passage of information. Since the 1980s, these fundamental components have become smaller and smaller, and today they are about 32 nanometers in size: to make a comparison, the HIV virus measures about 120 nanometers. Since they are now composed of a few atoms, if they were to shrink, they would reach the size of an electron. Electrons, however, are elementary particles, so they follow the laws of quantum mechanics.
What computer scientists are aiming for now is the development of computers whose basic units can take advantage of the properties of this mysterious branch of modern physics. And they plan to do that by introducing the enigmatic qubit.
Traditional computers measure information through the bit, a unit of measure that encodes messages in a series of 1 and 0. But in a quantum computer, it’s the quantum bit (qubit) that transports the information. The peculiarity of qubit is that it can use quantum superposition, a property of quantum mechanics. We will try to understand it better by comparing it to Schrödinger’s cat paradox.
We take a cat, and we close it in a box, isolating it completely from the outside. We put in the box a device programmed to shoot the cat, but with only 50% chance of activating. If we think in terms of quantum mechanics, which analyzes probabilities and not certain data, we come to this conclusion: before opening the box and verifying with our own eyes, there is the same possibility that the feline is alive or dead. Our animal exists in a condition of superposition of states (alive and dead), and it is as if he lived and died at the same time. The qubit works just like this: before it is detected it is both 1 and 0, in this way it carries twice as much information.
Quantum superposition is not the only advantage provided by qubit; much more complex properties, such as entanglement or quantum tunneling, make it very versatile and functional.
So far, it has been very difficult to make a working quantum computer: when you manipulate such small particles, due to the fact that are very changeable, you risk conveying incorrect information, or losing it. In addition, the circuits of a super-computer should be stored at very low temperatures, close to absolute zero, to avoid resistance to electric current.
A quantum computer would be useful in many areas: from cryptography, to aerospace missions, from simulations, to artificial intelligence. The Google and NASA prototype will be usable from 2020, and will be tested for the first time by scholars at the Los Alamos Laboratory. Now we can only wait for the first results, to find out where progress and computer science will lead us.
