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