Quantum Computing Is Coming, Bit by Qubit / Il calcolo quantistico sta arrivando, dal Bit al Qubit

Quantum Computing Is Coming, Bit by QubitIl calcolo quantistico sta arrivando, dal Bit al Qubit

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

Dario Gil, director of IBM Research, standing in front of the IBM Q System One quantum computer. It is sealed in a cube of black glass to keep in the cold and seal out the universe of noise and interference.

 System One quantum computer. It is sealed in a

 cube of black glass to keep in the cold and seal out

 the universe of noise and interference. /

 CreditDario Gil, direttore di IBM Research, in

 piedi di fronte al computer quantistico IBM Q

 System One. È sigillato in un cubo di vetro nero

 per mantenere il freddo e sigillare l'universo di

 rumore ed interferenze.a Friedman for The New

 York Times


With transmons and entanglement, scientists strive

 to put subatomic weirdness to work on the human

 scale.


A bolt from the maybe-future struck the technology

 community in late September. A paper by Google

 computer scientists appeared on a NASA website,

 claiming that an innovative new machine called a

 quantum computer had demonstrated “quantum

 supremacy.”


According to the paper, the device, in three

 minutes, had performed a highly technical and

 specialized computation that would have taken a

 regular computer 10,000 years to work out. The

 achievement, if real, could presage a revolution in

 how we think, compute, guard our data and

 interrogate the most subtle aspects of nature.


In an email, John Preskill, a physicist at the

 California Institute of Technology who coined the

 term “quantum supremacy,” said the Google work

 was potentially “a truly impressive achievement in

 experimental physics.”


But then the paper disappeared, leaving tech

 enthusiasts grasping at air.


At the time, Google declined to comment, but many

 experts suspect that an official announcement, with

 all the bells and whistles of publicity and proper

 peer review, is imminent.


And so quantum computing, one of the jazziest and

 most mysterious concepts in modern science,

 struggles to come of age.


It’s been a century since scientists discovered that,

 on the most intimate scales, nature operates

 according to principles that boggle our poor ape

 brains. Randomness and uncertainty rule, causes

 are not guaranteed to be linked to effects, and an

 electron or other subatomic entity can be

 everywhere or nowhere, a wave or a particle, until

 someone measures it.


Most of modern technology, from transistors and

 lasers to the gadgets in our pockets, runs on this

 quantum weirdness.


Lately technophiles, politicians and journalists have

 been worrying out loud that China is pulling ahead

 in the effort to harness said weirdness for industry

 and power, better spying and better computing.


Last year Congress passed, and President Trump

 signed, the National Quantum Initiative Act, a plan

 to spend $1.2 billion to boost research into

 quantum technology and especially quantum

 computers.


By exploiting the properties of quantum weirdness,

 these computers could do gazillions of calculations

 simultaneously, enough to break currently

 unbreakable codes and to solve hitherto unsolvable

 mathematical puzzles. Google, IBM, Microsoft

 and other companies are now designing and

 building starter versions and even putting them

 online, where almost anyone can learn to put the

 quantum realm to work.


Ordinary computers store data and perform

 computations as a series of bits that are either 1 or

 0. By contrast, a quantum computer uses qubits,

 which can be 1 and 0 at the same time, at least

 until they are measured, at which point their states

 become defined.


Eight bits make a byte; the active working memory

 of a typical smartphone might employ something

 like 2 gigabytes, or two times 8 billion bits. That’s

 a lot of information, but it pales in comparison to

 the information capacity of only a few dozen

 qubits.


Because each qubit represents two states at once,

the total number of states doubles with each added

 qubit. One qubit is two possible numbers, two is

 four possible numbers, three is eight and so forth.

 It starts slow but gets huge fast.


“Imagine you had 100 perfect qubits,” said Dario

 Gil, the head of IBM’s research lab in

Yorktown Heights, N.Y., in a recent interview. “You

 would need to devote every atom of planet

Earth to store bits to describe that state of that

 quantum computer. By the time you had 280

perfect qubits, you would need every atom in the

 universe to store all the zeros and ones.”


How this is accomplished is an engineer’s dream

 and nightmare. On a recent rainy day, Dr.

Gil offered a tour of IBM’s quantum operation. The

 trip started with an actual quantum computer,

its innards exposed, on display in the lobby of the

 Thomas J. Watson Research Center. It looked a

bit like a small, inverted Christmas tree: 3 feet high

 and a foot wide, a series of gold-colored platforms

hanging one from another and adorned with chips,

 wires, mysterious capsules and gleaming, curled

 silver tubes.


Each quantum computation starts and ends with a

 string of ones and zeros — classical bits — at the

top of this assembly. Those bits are then converted

 into pulses of microwaves and sent down through

wires and pipes to a series of 50 small

 superconducting devices called “transmons” — the

 qubits — dangling at the bottom.


The microwave pulses transform the qubits, putting

 them into a state of uncertainty between

one and zero.


Subsequent microwave pulses manipulate them,

 adding or subtracting them from one another

or putting pairs of them into a spooky condition

 called entanglement, in which what happens to

one qubit affects measurements of the other.


At the end, the qubits interfere with one another,

 like waves on an ocean, producing an output

string of ones and zeros that is the answer, Dr. Gil

 said.


All of this happens in a fraction of a second, which

 is as long as you can keep nature from peeking

at the qubits and spoiling things. Moreover, in

 practice, the qubits must be sheltered from the

 noisy non-quantum world, so the process transpires

 inside a dilution refrigerator — a big Thermos

 bottle —where the temperature of the chips at the

 bottom is kept at just above absolute zero, colder

 than outer space.


At the other end of a long curving corridor, sitting

 alone in its own room, was the real, working thing.


Called IBM Q System One, it was encased in a 9-

foot-wide cube of black glass and accessible onl

through 700-pound doors a half-inch thick, the

 better to seal in the cold and seal out the universe

 of noise and interference. “Q” is for quantum.

 Designed by an architectural firm to be as modern,

intimidating and opaque as the future itself, this

 machine is the most beautiful computer its users

 will probably never see.


While System One went online in January 2019, a

 set of starter computers called IBM Q Experience

has been available online for the last three years;

 anyone can log on and write and run programs on

them. To date, Dr. Gil said, some 130,000 people

 have used it, running 17 million experiments

and publishing some 200 papers. And there were

 more quantum devices, behind other doors,

 operated by scientists trying to learn how to speak

 nature’s exotic subatomic language. “I’m

 convinced there are more quantum computers

 working here than the rest of the world combined,

 in this building,”


Dr. Gil said.


Quantum supremacy, maybe Mathematicians are

 still debating what might be accomplished with all

 this quantum power when it finally grows up.


 Ordinary computers are good for solving “easy”

 problems — questions that can be answered in a

 reasonable amount of time, like navigating the

 rings of Saturn or predicting the path of a

 hurricane.


Then there are “hard” problems, whose solutions

 are difficult to find but, once identified, are easy

to verify.


Among them is the factoring of large numbers.

 Many modern encryption schemes, like the widely

used RSA cryptographic algorithm, rely on the

 inability to factor such numbers in a reasonable

amount of time.


In 1994 Peter Shor, then at Bell Labs and now at

 M.I.T., devised an algorithm that a quantum

computer (a still-hypothetical device at the time)

 could use to factor big numbers and thus break

most cybersecurity codes now in common use.


In 2012 Dr. Preskill, the Caltech physicist, invented

 the term “quantum supremacy” to describe the

potential of quantum computers to drastically

 outperform classical ones.


That is what a Google team has been trying to do

 with a quantum computer called Sycamore.

The calculation they are tackling is highly

 specialized and technical, designed mostly to show

that quantum supremacy is possible.


Success would be an inflection point in the march

 of human knowledge, a baby step toward a

radically different future, like the first Wright

 Brothers flight. But it’s only one step on a long

 road.


“We need to be very careful about setting

 expectations,” said Bob Sutor, vice president of Q

strategy and ecosystem at IBM, which is competing

 with Google for a different kind of quantum

supremacy. “It’s easy to overhype this stuff.”


Indeed, in a demonstration of just how hazy the

 quantum future is, and how hotly contested is its

ownership, a quartet of scientists from IBM, led by

 data scientist Edwin Pednault, on Monday

challenged Google’s claim that the calculation

 would take 10,000 years on a regular computer.

In a paper published on the physics website arXiv,

 and in a blog entry posted to IBM’s research

website, they estimated that the task could be

 accomplished in just two and a half days.


“Because the original meaning of the term

 ‘quantum supremacy,’ as proposed by John Preskill

in 2012, was to describe the point where quantum

 computers can do things that classical computers

can’t, this threshold has not been met,” they wrote

 in the blog post.


They went on to invite aspiring young scientists

 who wanted to do quantum computing to

log on to one of IBM’s machines: “Go ahead and

 run your first program on a real quantum

computer today.”


Google did not respond to a request for comment.


In conversation, Dr. Gil maintained that the term

 “quantum supremacy” was misleading and

rhetorical overkill: “The reality is, the future of

 computing will be a hybrid between classical

computer of bits, A.I. systems and quantum

 computing coming together.”


He and his colleagues would rather that we not

 judge quantum computers by qubits at all.

They prefer a new metric, “quantum volume,”

 which takes into account both the numbers of

 qubits and the amount of error correction.


Quantum volume is doubling every year, according

 to IBM, but nobody can say how far this

doubling must go before things get interesting.


The ultimate goal of quantum supremacy would be

 to use qubits to crack encryption codes.

But that will take a while. Google’s Sycamore

 computer has all of 53 qubits to its name,

as does a new IBM computer, installed online at the

 company’s Quantum Computation Center

in Poughkeepsie, N.Y. System One, IBM’s black

 cube from tomorrow, only has 20 qubits.


In contrast, many hundreds of qubits or more may

 be required to store just one of the huge

numbers used in current cryptographic codes. And

 each of those qubits will need to be

protected by many hundreds more, to protect

 against errors introduced by outside noise

and interference.


All told, it could take millions of qubits to break a

 code using Dr. Shor’s algorithm; patience

is required. In the meantime, Dr. Preskill said, “it

 will be fun to play with them and learn

what they can do.”


ITALIANO


Con i transmon e l'entanglement, gli scienziati si

 sforzano di mettere le stranezze subatomiche a

 lavorare a misura d'uomo.


Un fulmine del forse futuro ha colpito la comunità

 tecnologica alla fine di settembre. Un documento

di scienziati informatici di Google è apparso su un

 sito Web della NASA, affermando che una nuova

macchina innovativa chiamata computer quantistico

 aveva dimostrato "supremazia quantistica".


Secondo l'articolo, il dispositivo, in tre minuti,

 aveva eseguito un calcolo altamente tecnico e

 specializzato che avrebbe richiesto ad un computer

 normale 10.000 anni per funzionare. Il risultato, se

 reale, potrebbe presagire una rivoluzione nel modo

 in cui pensiamo, calcoliamo, custodiamo i nostri

 dati e interroghiamo gli aspetti più sottili della

 natura.


In una e-mail, John Preskill, un fisico del California

 Institute of Technology che ha coniato il termine

"supremazia quantistica", ha affermato che il lavoro

 di Google è stato potenzialmente "un risultato

davvero impressionante nella fisica sperimentale".


Ma poi il documento è scomparso, lasciando gli

 appassionati di tecnologia a cogliere l'aria.


Al momento, Google ha rifiutato di commentare,

 ma molti esperti sospettano che un annuncio

 ufficiale, con tutte le campane e fischietti della

 pubblicità e una corretta revisione tra pari, sia

 imminente.


E così l'informatica quantistica, uno dei concetti più

 allegri e misteriosi della scienza moderna, fa fatica

 a diventare maggiorenne.


È passato un secolo da quando gli scienziati hanno

 scoperto che, su scale più intime, la natura opera

 secondo principi che impantanano il nostro povero

 cervello di scimmia. Regola di casualità e

 incertezza, non è garantito che le cause siano

 collegate agli effetti e un elettrone o altra entità

 subatomica può essere ovunque o in nessun

luogo, un'onda o una particella, fino a quando

 qualcuno non la misura.


La maggior parte della tecnologia moderna, dai

 transistor e laser ai gadget nelle nostre tasche, gira

 su questa stranezza quantistica.


Ultimamente tecnofili, politici e giornalisti si sono

 preoccupati ad alta voce che la Cina stia avanzando

 nello sforzo di sfruttare le stranezze per l'industria

 ed il potere, un migliore spionaggio ed una

 migliore elaborazione.


L'anno scorso il Congresso è stato approvato ed il

 presidente Trump ha firmato il National Quantum

 Initiative Act, un piano per spendere $ 1,2 miliardi

 per aumentare la ricerca sulla tecnologia

 quantistica ed in particolare nei computer

 quantistici.


Sfruttando le proprietà della stranezza quantistica,

 questi computer potevano eseguire

 simultaneamente gazillions di calcoli, abbastanza

 per rompere i codici attualmente indistruttibili e

 risolvere enigmi matematici finora irrisolvibili.

 Google, IBM, Microsoft e altre società stanno ora

 progettando e costruendo versioni di partenza e

 persino mettendole online, dove quasi tutti possono

 imparare a far funzionare il regno quantico.


I computer ordinari memorizzano i dati ed

 eseguono calcoli come una serie di bit che sono 1 o

 0. Al contrario, un computer quantistico utilizza

 qubit, che possono essere 1 e 0

 contemporaneamente, almeno fino a quando

non vengono misurati, a quel punto i loro stati

 vengono definiti.


Otto bit formano un byte; la memoria di lavoro

 attiva di un tipico smartphone potrebbe impiegare

 qualcosa come 2 gigabyte o due volte 8 miliardi di

 bit. Sono molte informazioni, ma impallidiscono

 rispetto alla capacità di informazione di poche

 decine di qubit.


Poiché ogni qubit rappresenta due stati

 contemporaneamente, il numero totale di stati

 raddoppia con ogni qubit aggiunto.

Un qubit è due possibili numeri, due è quattro

 possibili numeri, tre è otto e così via. Inizia

 lentamente ma diventa enormemente veloce.


"Immagina di avere 100 qubit perfetti", ha

 dichiarato Dario Gil, capo del laboratorio di ricerca

 di IBM a Yorktown Heights, N.Y., in una recente

 intervista. “Dovresti dedicare ogni atomo del

 pianeta Terra per immagazzinare pezzi da

 descrivere quello stato di quel computer

 quantistico. Quando avessi 280 qubit perfetti,

avresti bisogno di ogni atomo nell'universo per

 memorizzare tutti gli zeri e quelli. "


Come questo è realizzato è il sogno e l'incubo di un

 ingegnere. In una recente giornata di pioggia, il Dr.

 Gil ha offerto un tour dell'operazione quantistica di

 IBM. Il viaggio è iniziato con un vero computer

 quantistico, con le sue viscere esposte in

 esposizione nella hall del Thomas J. Watson

 Research Center. Sembrava un po' un Natale con

 un albero invertito: alto 3 piedi e largo un piede,

 una serie di piattaforme color oro che pendono

 l'una dall'altra ed adornate con chip, fili, capsule

 misteriose e tubi d'argento arricciati luccicanti.


Ogni calcolo quantistico inizia e termina con una

 stringa di uno e zeri - bit classici - nella parte

 superiore di questa assemblea. Quei bit vengono

 quindi convertiti in impulsi di microonde ed inviati

 attraverso fili e tubi verso una serie di 50 piccoli

 dispositivi superconduttori chiamati "transmoni" - i

 qubit - che penzolano nella parte inferiore.


Gli impulsi a microonde trasformano i qubit,

 mettendoli in uno stato di incertezza tra uno e zero.


I successivi impulsi a microonde li manipolano,

 aggiungendoli o sottrandoli l'uno dall'altro o

 mettendo coppie di loro in una condizione spettrale

 chiamata entanglement, in cui ciò che accade ad un

 qubit influenza misure dell'altro.


Alla fine, i qubit interferiscono l'uno con l'altro,

 come onde su un oceano, producendo un output

stringa di uno e zeri che è la risposta, ha detto il

 dottor Gil.


Tutto ciò avviene in una frazione di secondo, il che

 è fino a quando puoi impedire alla natura di

 sbirciare a qubit rovinando le cose. Inoltre, in

 pratica, i qubit devono essere riparati dai rumori

 del mondo non quantico, quindi il processo

 traspare all'interno di un frigorifero di diluizione -

 una grande bottiglia Thermos - dove la temperatura

 dei trucioli sul fondo è mantenuta appena sopra lo

 zero assoluto, più fredda di quella esterna dello

 spazio.


All'altra estremità di un lungo corridoio curvo,

seduto da solo nella sua stanza, c'era la vera cosa

 funzionante.


Chiamato IBM Q System One, era racchiuso in un

 cubo largo 9 piedi di vetro nero e accessibile solo

attraverso le porte da 700 libbre di mezzo pollice di

 spessore, meglio sigillare al freddo e sigillare

 l'universo dirumore e interferenze. "Q" sta per

 quantum. Progettato da uno studio di architettura

 per essere il più moderno, intimidatorio e opaco

 come il futuro stesso, questa macchina è il

 computer più bello che i suoi utenti

probabilmente non vedranno mai.


Mentre System One è andato online nel gennaio

 2019, un set di computer di avviamento chiamato

 IBM Q Experience è stato disponibile online negli

 ultimi tre anni; chiunque può accedere e scrivere

 ed eseguire programmi su di essi. Per data, dottor

 Gil ha detto che circa 130.000 persone lo hanno

 utilizzato, eseguendo 17 milioni di esperimenti

e pubblicandone circa 200 lavori. E c'erano più

 dispositivi quantistici, dietro altre porte, gestiti da

 scienziati che cercavano di imparare come parlare

 il linguaggio subatomico esotico della natura.

 "Sono convinto che ci siano più computer

 quantistici lavorando qui rispetto al resto del

 mondo messi insieme, in questo edificio ", ha

 affermato il dott. Gil.


Supremazia quantistica, forse


I matematici stanno ancora discutendo di ciò che

 potrebbe essere realizzato con tutto questo potere

 quantico quando finalmente cresce. I computer

 ordinari sono buoni per risolvere problemi "facili"

 - domande che si può rispondere in un ragionevole

 lasso di tempo, come navigare negli anelli di

 Saturno o prevedere il percorso di un uragano.


Poi ci sono problemi "difficili", le cui soluzioni

 sono difficili da trovare ma, una volta identificate,

 sono facili da verificare.


Tra questi c'è il factoring di grandi numeri. Molti

 schemi di crittografia moderni, come ampiamente

utilizzato algoritmo crittografico RSA, si basano

 sull'incapacità di fattorizzare tali numeri in modo

 ragionevole nella quantità di tempo.


Nel 1994 Peter Shor, poi ai Bell Labs ed ora alla

 M.I.T., ideò un algoritmo che un quanto

al computer (un dispositivo ancora ipotetico al

 momento) potrebbe usare per fatturare numeri

 grandi e quindi rompere la maggior parte dei codici

 di sicurezza informatica che ora è di uso comune.


Nel 2012 il Dr. Preskill, il fisico Caltech, inventò il

 termine "supremazia quantistica" per descrivere il

potenziale dei computer quantistici di superare

 drasticamente quelli classici.


Questo è ciò che un gruppo di Google ha cercato di

 fare con un computer quantistico chiamato

 Sicomoro.


Il calcolo che stanno affrontando è altamente

 specializzato e tecnico, progettato principalmente

 per mostrare che la supremazia quantistica è

 possibile.


Il successo sarebbe un punto di svolta nella marcia

 della conoscenza umana, un piccolo passo verso un

futuro radicalmente diverso, come il primo volo di

 Wright Brothers. Ma è solo un passo su una lunga

 strada.


"Dobbiamo stare molto attenti a fissare le

 aspettative", ha dichiarato Bob Sutor,

 vicepresidente di Qstrategia ed ecosistema presso

 IBM, che è in competizione con Google per un

 diverso tipo di supremazia quantistica.

 "È facile modificare questa roba."


In effetti, in una dimostrazione di quanto sia

 confuso il futuro quantistico e di quanto sia

 fortemente contestato la sua proprietà, un quartetto

 di scienziati dell'IBM, guidato dal data scientist

 Edwin Pednault, lunedì


ha contestato l'affermazione di Google secondo cui

 il calcolo richiederebbe 10.000 anni su un normale

 computer.


In un articolo pubblicato sul sito Web di fisica

 arXiv e in un post di blog pubblicato sulla ricerca

 sul sito di IBM, hanno stimato che il compito

 potrebbe essere realizzato in soli due giorni e

 mezzo.


"Perché il significato originale del termine"

 supremazia quantistica ", come proposto da John

 Preskill nel 2012, è stato quello di descrivere il

 punto in cui i computer quantistici possono fare

 cose che per i computer classici è impossibile,

,questa soglia non è stata raggiunta ", hanno scritto

 nel post del blog.


Hanno continuato a invitare aspiranti giovani

 scienziati che volevano fare il calcolo

 quantistico ad accedere a una delle macchine IBM:

 "Vai avanti ed esegui il tuo primo programma su

 un vero quantum computer oggi. "


Google non ha risposto ad una richiesta di

 commento.


Durante una conversazione, il Dr. Gil sostenne che

 il termine "supremazia quantistica" era fuorviante e

con eccessiva retorica: “La realtà è che il futuro

 dell'informatica sarà un ibrido tra classico

computer di bit, A.I. sistemi e computazione

 quantistica che si uniscono. "


Lui ed i suoi colleghi preferiscono che non

 giudichiamo affatto i computer quantistici per

 qubit.


Preferiscono una nuova metrica, "volume

 quantico", che tiene cont

o sia del numero di qubit

e la quantità di correzione degli errori.


Il volume quantico raddoppia ogni anno, secondo

 IBM, ma nessuno può dire fino a che punto

il raddoppio deve avvenire prima che le cose

 diventino interessanti.


L'obiettivo finale della supremazia quantistica

 sarebbe quello di utilizzare i qubit per decifrare i

 codici di crittografia.


.Ma ci vorrà un po'. Il computer Sycamore di

 Google ha tutti e 53 i qubit al suo nome,

così come un nuovo computer IBM, installato

 online presso il Quantum Computation Center

 dell'azienda in Poughkeepsie, N.Y. System One, il

 cubo nero di IBM da domani, ha solo 20 qubit.


Al contrario, potrebbero essere necessarie molte

 centinaia di qubit o più per memorizzare solo uno

 dei più grandi numeri utilizzati negli attuali codici

 crittografici. E ciascuno di questi qubit dovrà

 essere protetto da molte altre centinaia, per

 proteggere dagli errori introdotti dal rumore

 esterno ed interferenza.


Tutto sommato, potrebbero essere necessari milioni

 di qubit per violare un codice utilizzando

 l'algoritmo del Dr. Shor;la pazienza è obbligatorio.

 Nel frattempo, il Dr. Preskill ha dichiarato: "Sarà

 divertente giocare con loro e impararecosa possono

 fare. "

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