I computer quantistici a un passo dalla realtà / Quantum computers one step away from reality.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Trappola a ioni per computer quantistico / Quantum Computer Ion Trap

Google, Microsoft e una serie di start up e laboratori di ricerca stanno facendo a gara per far uscire il calcolo quantistico dall'ambito della ricerca pura e passare alla sua applicazione concreta. Secondo molti ricercatori, il 2017 potrebbe essere l'anno decisivo.

E' da tempo che il calcolo quantistico sembra una di quelle tecnologie a cui mancano sempre 20 anni per diventare realtà. Ma il 2017 potrebbe essere l'anno in cui quell'immagine cambierà.

Giganti dell'informatica come Google e Microsoft recentemente hanno assunto una serie di esperti di punta, fissando obiettivi impegnativi per quest'anno. Le loro ambizioni riflettono una transizione più ampia che è in atto nelle start-up e nei laboratori di ricerca universitari: passare dalla scienza pura all'ingegneria.

"La gente sta davvero costruendo oggetti concreti" dice Christopher Monroe, fisico all'Università del Maryland a College Park e co-fondatore della start-up IonQ nel 2015. "Non ho mai visto niente di simile. Non è più solo ricerca."

Nel 2014 Google ha iniziato a lavorare a una forma di calcolo quantistico che sfrutta la superconduttività. Si spera che quest'anno, o poco più in là, possa eseguire calcoli impossibili persino per i più potenti supercomputer "classici", tagliando lo sfuggente traguardo della cosiddetta supremazia quantistica.

La rivale Microsoft sta scommettendo su un concetto interessante, ma di cui non è stata ancora ancora provata la validità, quello di calcolo quantistico topologico, e spera di effettuare presto una prima dimostrazione di quella tecnologia.

Ci sono novità anche tra le start-up dedicate al calcolo quantistico: Monroe prevede di iniziare a "fare sul serio" già quest'anno. Robert Schoelkopf, fisico alla Yale University di New Haven, nel Connecticut, e co-fondatore di una di start-up per la produzione di circuiti quantistici, e Chad Rigetti, un fisico già dipendente della IBM che ha creato la Rigetti Computing a Berkeley, in California, dicono di aspettarsi di raggiungere in tempi 

brevi traguardi tecnici decisivi.

I laboratori universitari battono la stessa strada. "Abbiamo dimostrato la fattibilità di tutti i componenti e l'operatività di tutte le funzioni di cui abbiamo bisogno", dice Schoelkopf, che continua a dirigere un  gruppo di ricerca per la costruzione di un computer quantistico a Yale.

Anche se servono ancora molti esperimenti di fisica per far sì che i diversi componenti lavorino insieme, le sfide principali sono ora sul piano ingegneristico, dicono Schoelkopf e altri ricercatori. Il computer quantistico attualmente dotato del maggior numero di qubit - 20 - è in fase di sperimentazione in un laboratorio universitario dell'Università di Innsbruck diretto da Rainer Blatt.

Un'altra trappola usata per simulazioni di calcolo quantistico. (Cortesia Institut für Experimentalphysik/Universität Innsbruck) 

/ Another trap used for quantum calculation simulations

Mentre i computer classici codificano le informazioni come bit che possono essere in uno di due stati, 0 o 1, i "qubit" dei computer quantistici possono trovarsi in una condizione di "sovrapposizione" di quei due stati. Questo, insieme alla capacità dei qubit di condividere uno stato quantico chiamato entanglement, dovrebbe consentire ai computer di eseguire molti calcoli in una sola volta.

In linea di principio, il numero di questi calcoli dovrebbe raddoppiare per per ogni qubit aggiuntivo, portando a una accelerazione esponenziale della potenza di calcolo.

I computer quantistici dovrebbero così essere in grado di eseguire compiti come la ricerca in database di enormi dimensioni o la fattorizzazione di grandi numer, che sarebbero impossibili per i più lenti computer classici. E potrebbero trasformare la ricerca, eseguendo simulazioni quantistiche che consentano ai chimici di capire le reazioni in un dettaglio senza precedenti, o ai fisici di progettare materiali superconduttori a temperatura ambiente.

Le proposte in competizione per la realizzazione dei qubit sono molte, ma due sono in testa a tutte, avendo dimostrato la capacità di memorizzare le informazioni per tempi sempre più lunghi (a dispetto della vulnerabilità degli stati quantistici alle perturbazioni esterne) e di eseguire operazioni di logica quantistica.

Un approccio - di cui Schoelkopf è stato un pioniere e che è stato adottato da Google, IBM e Rigetti Computing - comporta la codifica degli stati quantistici sotto forma di correnti oscillanti in anelli superconduttori. L'altro approccio - perseguito da IonQ e da diversi importanti laboratori universitari - prevede di codificare i qubit in singoli ioni mantenuti in trappole elettriche e magnetiche.

John Martinis - che prima di essere assunto insieme al suo gruppo di ricerca da Google nel 2014 lavorava all'Università della California a Santa Barbara - dice che la maturità della tecnologia a superconduttori ha permesso alla sua squadra di porsi l'ambizioso obiettivo della supremazia quantistica.

Il team prevede di raggiungerlo grazie a un algoritmo quantistico "caotico" che produce un'uscita apparentemente casuale . Se l'algoritmo viene eseguito su un computer quantistico con un numero piuttosto piccolo di qubit, una macchina classica può prevedere la sua uscita. Ma una volta che la macchina quantistica si avvicina a circa 50 qubit, secondo i ricercatori neppure i più grandi supercomputer classici riusciranno a tenere il passo.

La creazione di chip per qubit è al centro della ricerca sul calcolo quantistico applicato. (Cortesia D-Wave Systems Inc.) / 

Creating chips for qubit is at the center of applied quantum research.

I risultati di questi calcoli non avranno usi pratici, ma dimostreranno che ci sono sono compiti in cui i computer quantistici sono imbattibili, un'importante soglia psicologica che attirerà l'attenzione dei potenziali clienti, dice Martinis. "Pensiamo che sarà un esperimento decisivo."

Ma Schoelkopf non considera la supremazia quantistica "un obiettivo molto interessante o utile", in parte perché non affronta la sfida della correzione degli errori: la capacità del sistema di ripristinare le informazioni dopo leggere perturbazioni subite dai qubit, una sfida che diventa tanto più difficile quanto più aumenta il numero di qubit.La sua Quantum Circuits è invece impegnata a costruire macchine completamente libere da errori fin dall'inizio. Ciò richiede la costruzione di un numero maggiore di qubit, ma le macchine potrebbero far girare anche algoritmi quantistici più sofisticati.

Anche Monroe spera di raggiungere presto la supremazia quantistica, che però non è l'obiettivo principale di IonQ. La start-up ha lo scopo di costruire macchine che abbiano 32 o addirittura 64 qubit, grazie alla tecnologia a ioni intrappolati che consentirà una flessibilità e una scalabilità maggiori rispetto ai circuiti a superconduttori, dice Monroe .

Microsoft, nel frattempo, sta scommettendo su una tecnologia che ha ancora più cose da dimostrare. Il calcolo quantistico topologico dipende da eccitazioni della materia che codificano le informazioni in una sorta di groviglio di stati sovrapposti. Le informazioni memorizzate in questi qubit sarebbero molto più resistenti ai disturbi esterni rispetto alle altre tecnologie, rendendo in particolare più facile la correzione degli errori.

Nessuno è ancora riuscito a creare lo stato della materia necessario a produrre questo tipo di eccitazioni, per non parlare di un qubit topologico. Ma Microsoft ha assunto quattro ricercatori leader nel settore, tra cui Leo Kouwenhoven dell'Università di Delft nei Paesi Bassi, che ha creato quello che sembra essere il giusto tipo di eccitazione. "Io dico ai miei studenti che il 2017 è l'anno in cui tireremo le fila", dice Kouwenhoven, che ora sta organizzando un laboratorio Microsoft nel campus di Delft.

Altri ricercatori sono più cauti. "Non faccio comunicati stampa sul futuro", dice Blatt. Anche David Wineland,  fisico al National Institute of Standards and Technology (NIST) a Boulder, in Colorado, che dirige  un laboratorio che lavora sulle trappole ioniche, è restio a fare previsioni specifiche. "Sono ottimista per il lungo termine", dice, "ma che cosa significhi 'a lungo termine', non lo so."

ENGLISH

Google, Microsoft and a number of startups and search labs are competing to bring quantum computing out of pure research and move to its concrete application. According to many researchers, 2017 could be the decisive year.

It has long been that quantum computation seems to be one of those technologies that are never 20 years old to become reality. But 2017 may be the year that that picture will change.

Computer giants such as Google and Microsoft have recently hired a number of top experts, setting up challenging goals this year. Their ambitions reflect a wider transition that is taking place in start-ups and university research laboratories: switch from pure engineering science.

"People are really building real objects," says Christopher Monroe, a physicist at the University of Maryland at College Park and co-founder of the IonQ start-up in 2015. "I've never seen anything like that.

In 2014, Google began working on a quantum computational form that exploits superconductivity. It is hoped that this year, or just beyond, it will be impossible to calculate even for the most powerful "super classical" supercomputers, cutting the elusive goal of so-called quantum supremacy.

Microsoft's rival is betting on an interesting concept, but it has not yet been proven validity, topological quantum computing, and hopes to soon make the first demonstration of that technology.

There are also novelties among start-ups dedicated to quantum computing: Monroe expects to start "doing it seriously" this year. Robert Schoelkopf, physicist at Yale University in New Haven, Connecticut, and co-founder of a startup for quantum circuits production, and Chad Rigetti, an IBM physicist who has created Rigetti Computing at Berkeley, in California, say they expect to reach in time

short technical breakthroughs.

University labs work the same way. "We have demonstrated the feasibility of all components and the functionality of all the functions we need," says Schoelkopf, who continues to head a research team to build a quantum computer at Yale.

Although many physical experiments are still needed to make the various components work together, the main challenges are now in engineering, Schoelkopf and other researchers say. The quantum computer currently equipped with the largest number of qubit - 20 - is being tested at a University Laboratory in Innsbruck directed by Rainer Blatt.

While classical computers encode information as bits that can be in one of two states, 0 or 1, the qubit of quantum computers may be in an "overlapping" state of those two states. This, together with qubit's ability to share a quantum state called entanglement, should allow computers to perform many calculations at once.

In principle, the number of these calculations should be doubled for each additional qubit, leading to an exponential acceleration of computing power.

Quantum computers should thus be able to perform tasks such as huge database searches or large number billing, which would be impossible for the slower classical computers. And they could turn their research into quantum simulations that allow chemists to understand reactions in an unprecedented detail, or physicists to design superconducting materials at room temperature.

Competitive proposals for the qubit implementation are many, but two are at the forefront of all, having demonstrated the ability to store information for longer times (in spite of the vulnerability of quantum states to external perturbations) and to perform quantum logic.

An approach - of which Schoelkopf was a pioneer and adopted by Google, IBM and Rigetti Computing - involves encoding quantum states in the form of oscillating currents in superconducting rings. The other approach - pursued by IonQ and several major university labs - involves coding qubit into individual ions kept in electrical and magnetic traps.

John Martinis - who before being hired together with his research team by Google in 2014 worked at the University of California at Santa Barbara - says maturity of superconducting technology has allowed his team to set the ambitious goal of quantum supremacy.

The team plans to reach it thanks to a quantum "chaotic" algorithm that produces a seemingly random output. If the algorithm runs on a quantum computer with a small qubit number, a classical machine can predict its output. But once the quantum machine approaches about 50 qubits, according to researchers, even the biggest supercomputers will not keep pace.

The results of these calculations will not be practical, but they will show that there are tasks where quantum computers are unbeatable, an important psychological threshold that will attract the attention of potential customers, says Martinis. "We think it will be a decisive experiment."

But Schoelkopf does not consider quantum supremacy as "a very interesting or useful goal," partly because it does not address the challenge of error correction: the ability of the system to restore information after reading disruptions suffered by qubit, a challenge that becomes even harder the greater the number of qubits. Its Quantum Circuits is instead committed to building machines completely free from errors from the start. This requires the construction of more qubit, but the machines may also run more sophisticated quantum algorithms.

Monroe also hopes to soon reach quantum supremacy, but it is not the main objective of IonQ. The start-up is designed to build machines that have 32 or even 64 qubits, thanks to the trapped ions technology that will allow for more flexibility and scalability than superconducting circuits, says Monroe.

Meanwhile, Microsoft is betting on a technology that still has more to prove. The topological quantum calculation depends on material excitations that encode information into a sort of overlapping state of the tangle. Information stored in these qubits would be much more resistant to external noise than other technologies, making error correction easier.

No one has yet been able to create the state of matter necessary to produce this kind of excitement, not to mention a topological qubit. But Microsoft has hired four industry-leading researchers, including Leo Kouwenhoven of the University of Delft in the Netherlands, who created what seems to be the right kind of excitement. "I am telling my students that 2017 is the year that we will be in line," says Kouwenhoven, who is now organizing a Microsoft lab at the Delft campus.

Other researchers are more cautious. "I do not make any press releases about the future," says Blatt. Even David Wineland, a physicist at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, who runs a laboratory that works on ion traps, is reluctant to make specific predictions. "I'm optimistic for the long term," he says, "but what it means in the long term, I do not know."

Da:

http://www.lescienze.it/news/2017/01/06/news/calcolo_quantistico_sfidaricerca_ingegneria-3373152/?refresh_ce