Dopo anni di silenzio, il Dipartimento dell’Energia Statunitense si unisce alla ricerca sui computer quantistici
Il DOE decide di investire nei computer quantistici, macchine capaci di compiere più calcoli che il numero di atomi presenti nell’Universo.
Il Dipartimento dell’ Energia degli Stati Uniti (DOE) sta partecipando alla ricerca per lo sviluppo dei computer quantistici, dispositivi che sfrutterebbero la meccanica quantistica per risolvere problemi irrisolvibili per i computer convenzionali. L’iniziativa arriva mentre Google e altre aziende gareggiano per costruire un computer quantistico in grado di dimostrare la “supremazia quantica”, battendo i computer classici su un problema di test. Ma raggiungere questa pietra miliare non significherebbe avere gli usi pratici subito a portata di mano, e il nuovo sforzo del DOE di $40 milioni è destinato a stimolare lo sviluppo di algoritmi di calcolo quantistico utili per la chimica, scienza dei materiali, fisica nucleare e fisica delle particelle.
“Siamo alla ricerca di algoritmi in grado di far progredire la scienza,” dice Stephen Binkley, direttore del dipartimento Office of Science da $5,4 miliardi di dollari del DOE a Washington, DC, che in una lettera aperta del 29 novembre 2017 ha esortato i ricercatori a presentare proposte per tale lavoro.
Il governo degli Stati Uniti investe già circa 250 milioni di dollari all’anno nel computing quantistico, in gran parte attraverso l’Ufficio di Ricerca dell’Esercito, dice Christopher Monroe, un fisico dell’Università del Maryland nel College Park e co-fondatore della startup del computing quantistico IonQ. Ma i fondi del DOE andranno principalmente ai suoi laboratori nazionali. Monroe dice che i ricercatori ci possono giocare un ruolo di primo piano nello sviluppo delle macchine. “L’industria non può farlo perché non ha la gente, e gli accademici non possono farlo perché non costruiscono le cose.”
Mentre un computer convenzionale manipola bit che possono essere impostati a 0 o 1, un computer quantistico utilizza bit o qubit quantici che, stranamente, possono essere impostati a 0 e 1 contemporaneamente. Un qubit può essere un campione di metallo superconduttore che può essere caricato elettricamente per codificare 1, non caricato per codificare 0, o entrambi caricato e non caricato allo stesso tempo. Gli ioni intrappolati, che possono muoversi in direzioni opposte o in entrambe le direzioni contemporaneamente, possono anche servire da qubit. Con le loro capacità bidirezionali, solo 300 qubit potrebbero contemporaneamente codificare più numeri di quanti atomi ci siano nell’Universo osservabile.
Tuttavia, è il modo in cui i computer quantistici risolvono i problemi che spiega la loro potenza e i loro limiti. I problemi possono essere codificati in modo che le possibili soluzioni corrispondano a diverse forme d’onde quantistiche propaganti attraverso i qubit. Impostando un sistema in cui le onde interferiscano nel modo giusto, e le soluzioni sbagliate si annullino a vicenda, la soluzione giusta salterà fuori automaticamente. È così che un computer quantistico potrebbe rapidamente determinare grandi numeri, potenzialmente permettendogli di rompere gli attuali protocolli di crittografia Internet. Ma l’approccio non può agevolare qualunque tipo di calcolo.
“Ad esempio, i computer quantistici non contribuiranno ad analizzare le miliardi di registrazioni delle singole collisioni di particelle prodotte da acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider in Svizzera,” dice James Amundson, fisico computazionale del Fermi National Accelerator Laboratory di Batavia, Illinois. Ognuno dei record è facile da analizzare, quindi hanno bisogno solo di essere alimentati attraverso un esercito di normali computer che lavorano in parallelo, dice Amundson. Un computer quantistico non può velocizzare il processo.
Eppure, tali macchinari possono essere molto promettenti per alcuni problemi, dicono i ricercatori, come quelli che implicano la modellazione o la simulazione intrinsecamente dei processi meccanici quantistici. In chimica, ad esempio, gli enzimi chiamati nitrogenasi catalizzano le reazioni che consentono ai batteri fissatori dell’azoto di trasformare l’azoto dall’aria in una forma che le piante possono utilizzare. Nessun computer convenzionale può calcolare esattamente come funziona il processo, ma un computer quantistico potrebbe, dice Wibe de Jong, un chimico computazionale del Lawrence Berkeley National Laboratory a Berkeley, California. “Ci sono molti processi catalitici che sono ancora molto difficili da modellare a causa della complessità computazionale,” spiega.
I computer quantistici possono anche aiutare nella progettazione di materiali a partire dai loro costituenti atomici. E potrebbero anche aiutare a prevedere come si comporta la materia superdensa nelle stelle di neutroni o come si scinde un protone durante una collisione di particelle. Tali applicazioni coinvolgono tutti l’interazione di forme d’onda quantistiche che descrivono le particelle subatomiche.
“Il monitoraggio delle forme d’onda quantistiche potrebbe impallare un computer convenzionale, ma un computer quantistico gestisce automaticamente quell’aspetto di calcolo”, spiega Martin Savage, teorico nucleare dell’Università di Washington a Seattle.
I ricercatori hanno solo iniziato a capire come mappare tali problemi su qubit di un computer quantistico. Per accelerare il processo, nel settembre 2017 il DOE ha lanciato due piattaforme di prova per consentire a progettisti e scienziati di lavorare insieme su approcci al calcolo quantistico. Nel laboratorio di Berkeley, il fisico Irfan Siddiqi e i colleghi mirano a costruire il proprio computer quantistico a 64 quadranti utilizzando qubit superconduttori. Il feedback da parte degli utenti influenzerà i loro progetti, come ad esempio il modo in cui i qubit sono disposti e collegati tra loro su un chip, dice Siddiqi.
Al contrario, un laboratorio di prova presso lo Oak Ridge National Laboratory in Tennessee fornirà l’accesso remoto alle macchine esistenti presso IBM e IonQ. Questo approccio dovrebbe innescare lo stesso tipo di “co-design” senza richiedere ai ricercatori di Oak Ridge di costruire una macchina da zero, dice Raphael Pooser, uno scienziato dell’informazione quantistica a Oak Ridge. Inoltre assomiglia più da vicino al modo in cui DOE sviluppa i suoi supercomputer in collaborazione con l’industria.
Nel frattempo, le macchine industriali sono sempre più potenti. Questa settimana, i ricercatori del laboratorio di Google a Santa Barbara, in California, hanno iniziato a testare un chip da 50 qubit che pensano raggiungeranno la supremazia quantistica, anche se l’esperimento potrebbe richiedere ancora mesi. Eppure alcuni ricercatori temono che una tale dimostrazione possa indurre in errore il pubblico nel pensare che gli scienziati hanno raggiunto la fine della strada nello sviluppo di un utile computer quantistico. “Non è nemmeno l’inizio della strada,” dice Siddiqi.
John Martinis, il fisico che guida lo sforzo di Google, dice che l’azienda “capisce che la supremazia quantistica è una grande pietra miliare e che ci vorrà più tempo, forse molto di più, per fare qualcosa di pratico”. Il DOE è chiaramente d’accordo.
Tradotto in Italiano. Articolo originale: Science
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