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Quantum computing: prova un computer quantico direttamente da casa

Grazie al Composer di IBM, è possibile allineare le porte logiche quantiche in un algoritmo pronto da testare: proviamo questo strumento insieme.

(Credit: IBM)

Abbiamo visto insieme perché la ricerca si concentra sui computer quantici, ma anche come funziona questo nuovo tipo di computer. Dopo aver tanto parlato di pasta al sugo, è ora di iniziare a sporcarsi le mani — o meglio, di mettere su le mani su un quantum computer vero.

IBM si è stufata di giocare con i vecchi computer, e vorrebbe che ciò valesse per tutti. Il gigante della tecnologia offre a chiunque l’accesso ad un processore quantistico a 5 qubit.

Mentre IBM lavora ad un computer con decine di qubit, sta mettendo online il suo chip più piccolo, ora non direttamente utilizzato. “Vogliamo renderlo accessibile a persone che potrebbero non sapere molto sul quantum computing, ma che sono interessate a conoscere la tecnologia,” dice Jerry Chow di IBM Research a New York.

È possibile programmare il chip di IBM utilizzando un servizio web chiamato Composer, così chiamato perché l’interfaccia assomiglia a una partitura musicale (foto qui di seguito). I tutorial spiegano come trascinare e rilasciare diverse porte logiche quantistiche per creare un algoritmo, che può poi essere eseguito sul chip fisico del laboratorio di IBM — per accedere al Composer, clicca qui.

Il “Composer”: un’interfaccia che ricorda un pentagramma, per programmare il chip quantico in cloud. Al posto delle note, si inseriscono le porte logiche quantiche, creando diversi algoritmi. (Credit: IBM)

Le porte quantistiche sono i mattoni elementari per il calcolo quantistico, agendo sui qubit nello stesso modo in cui le porte della logica classica agiscono sui bit per cambiare il loro stato in maniera controllabile. Il Composer è un’interfaccia utente grafica per la programmazione di un processore quantistico. Pensatelo come strumento per costruire algoritmi quantistici usando una libreria di misure e porte ben definite (operazioni che cambiano lo stato del qubit).

Il Composer permette di creare un valore quantico — in senso musicale. In una partitura quantistica, proprio come con la musica, il tempo progredisce da sinistra a destra. Ogni rigo rappresenta un qubit (così come ciò che accade a quel qubit nel tempo). Proprio come per le note musicali, ogni qubit ha una frequenza diversa. Un algoritmo quantistico (circuito) inizia preparando i qubit in stati ben definiti (ad esempio “0” nella figura sottostante), quindi eseguendo una serie di porte a uno e due quadranti in tempo da sinistra a destra.

Il qubit ha un proprio “rigo” su cui si eseguono le operazioni.

I gate quantistici sono rappresentati da scatole quadrate; suonano una frequenza per diverse durate, ampiezze e fasi. Queste sono chiamate porte a singolo quadrante. Per applicare una porta a un qubit, è sufficiente trascinare la scatola corrispondente nel rigo del qubit.

Perciò: una volta che hai popolato il rigo con tutti i gate e le misure che ti piacerebbe usare, clicca su “Esegui” o “Simula” per generare risultati per il tuo esperimento. Ogni circuito deve terminare con una porta di misurazione per poter eseguire l’esperimento.

In questo esempio, la porta logica di misurazione ci indica il valore del qubit.

Le porte utilizzabili, sono molto simili alle porte logiche dell’informatica classica. Vediamone alcune:

La porta X

Iniziamo con la porta X, che è conosciuta anche come un “bit-flip”, dal momento che trasforma lo 0 in 1 e viceversa. Il funzionamento è simile ad una classica porta logica NOT.

È anche nota come X-rotation, dal momento che ruota di 180° i intorno all’asse X della sfera di Bloch. Se si inizia nello stato “0” nella parte superiore della sfera del Bloch, il gate X ruota verso il basso della sfera del Bloch “1". Qui di sotto lo schema che visualizza la rotazione.

Lo stato 0 viene inizializzato sull’asse Z. La porta X capovolge il qubit dalla parte opposta, restituendo il valore 1, esattamente come fa la porta NOT dei computer classici.

La porta H

Ora che sappiamo come passare tra “0” e “1”, esploriamo la sovrapposizione, ovvero il concetto di generare un nuovo stato quantistico che è una combinazione degli stati di base “0” e “1”.

Per fare degli stati di sovrapposizione, amplieremo il nostro set di porte per includere H . La porta H, nota come porta Hadamard, si posiziona su uno dei qubit (inizializzato nello stato “0”) e si esegue una misurazione standard. Si scopre che il qubit si comporta per metà come un “0” e per metà come un “1”. Prima che la misurazione costringesse il qubit a scegliere uno stato finale, lo stato del qubit non era né “0” né “1”, ma piuttosto uno stato quantistico univoco, una sovrapposizione, consistente in una combinazione di questi due stati a parità di peso.

Si può pensare alla porta H come una rotazione intorno all’asse X e Z:

Le altre porte

Esistono poi numerose porte logiche in grado di cambiare la fase (la direzione in cui la particella ruota, ad esempio) dei qubit. Sono le porte:

Queste porte logiche, alterano la fase dei qubit, influenzando profondamente il risultato. La loro influenza può spostare la fase dei qubit da positiva a negativa, oppure può spostarne l’orientamento intorno agli assi. È un po’ come fare “addizione” e “sottrazione”, ma il risultato è una combinazione di probabilità. Qui di sotto, riassumiamo tutte le porte logiche e le loro funzioni:

Come vedi, i primi calcoli che potrai fare sono legati alla probabilità e alla misurazione degli stati del qubit che hai scelto. Ma non per forza dobbiamo limitarci a questo…

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Parte dell’approfondimento “QUANTUM COMPUTING”. Fonte articoli: IBM, LiveScience.


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