Non è nemmeno necessario un computer quantistico per molte potenti applicazioni dell'informazione quantistica. Molte cose utili possono essere fatte con la tecnologia di base. I ricercatori del NIST stanno sviluppando la tecnologia ed esplorando applicazioni su più fronti. Chiudendo il cerchio, gli orologi atomici potrebbero potenzialmente essere utilizzati come sensori quantistici. Prendendo in prestito tecniche dalla scienza dell'informazione quantistica (vedi bibliografia Nist2), un nuovo progetto noto come orologio logico quantistico utilizza una coppia di ioni: uno funge da "orologio" e l'altro controlla e misura il primo ione in modo che i laser possano sintonizzarsi nel modo più accurato possibile per ottenere un buon segnale orario. Non è nemmeno necessario un computer quantistico per molte potenti applicazioni dell'informazione quantistica. Molte cose utili possono essere fatte con la tecnologia di base. I ricercatori del NIST stanno sviluppando la tecnologia ed esplorando applicazioni su più fronti. Se c'è un giacimento di petrolio nel sottosuolo, ciò significa che c'è un campo gravitazionale sul terreno più forte di quello che ci sarebbe se sotto ci fosse una caverna cava. Un orologio atomico sopra il giacimento di petrolio ticchetta più lentamente e aiuta i cercatori a rilevare il petrolio. Gli orologi atomici utilizzati oggi non sono sufficientemente precisi per rilevare tali rallentamenti. Ma gli orologi di prossima generazione in fase di sviluppo promettono di aiutare un giorno i ricercatori a individuare depositi nascosti di petrolio e minerali. Anche le tecniche prese in prestito dagli orologi atomici e dall'informazione quantistica promettono di aiutare i ricercatori a controllare meglio le singole molecole . I ricercatori stanno anche sfruttando tecniche del mondo quantistico per realizzare nuovi tipi di interruttori magnetici, che potrebbero portare a nuovi dispositivi elettronici.

Un orologio atomico che utilizza un atomo di alluminio per applicare la logica dei computer alle peculiarità del mondo quantistico ora rivaleggia con l'orologio più preciso del mondo, basato su un singolo atomo di mercurio. Entrambi gli orologi sono almeno 10 volte più precisi dell’attuale standard orario statunitense.

Le misurazioni sono state effettuate in un confronto durato un anno tra i due orologi di nuova generazione, entrambi progettati e costruiti presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) del Dipartimento del Commercio. Gli orologi sono stati confrontati con una precisione record, consentendo agli scienziati di misurare le frequenze relative dei due orologi a 17 cifre: la misurazione più accurata di questo tipo mai effettuata. Il confronto ha prodotto i risultati più precisi finora ottenuti nella ricerca mondiale per determinare se alcune delle costanti fondamentali che descrivono l’universo stanno cambiando leggermente nel tempo, una questione di ricerca scottante che potrebbe alterare i modelli di base del cosmo.

La ricerca è descritta nel numero del 6 marzo di Science Express. Gli orologi in alluminio e mercurio sono entrambi basati sulle vibrazioni naturali degli ioni (atomi caricati elettricamente) e non guadagnerebbero né perderebbero un secondo in oltre 1 miliardo di anni, se potessero funzionare per un tempo così lungo, rispetto ai circa 80 milioni di anni del NIST. -F1, lo standard orario statunitense basato su atomi neutri di cesio.

L'orologio a mercurio è stato dimostrato per la prima volta nel 2000 ed è ora quattro volte migliore dell'ultima valutazione pubblicata nel 2006, grazie ai continui miglioramenti nella progettazione e nel funzionamento dell'orologio. L'orologio al mercurio continua a regnare come il più preciso al mondo per ora, con un margine del 20% rispetto all'orologio in alluminio, ma i progettisti affermano che entrambi gli orologi sperimentali potrebbero essere ulteriormente migliorati.

"L'orologio in alluminio è molto preciso perché è insensibile ai campi magnetici ed elettrici di fondo, e anche alla temperatura", afferma Till Rosenband, il fisico del NIST che ha costruito l'orologio ed è il primo autore del nuovo articolo. "Ha la sensibilità alla temperatura più bassa conosciuta tra tutti gli orologi atomici, che è una delle incertezze più difficili da calibrare."

Quando un elettrone si muove lungo un percorso chiuso, finendo dove ha iniziato, il suo stato fisico può essere o meno lo stesso di quando è partito. Ora esiste un modo per controllare i risultati, grazie a un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST). Il team ha sviluppato il primo interruttore che accende e spegne questo misterioso comportamento quantistico. La scoperta promette di fornire nuove informazioni sui fondamenti della teoria quantistica e potrebbe portare a nuovi dispositivi elettronici quantistici.

Per studiare questa proprietà quantistica, il fisico Joseph A. Stroscio del NIST e i suoi colleghi hanno studiato gli elettroni racchiusi in orbite speciali all’interno di una regione di grafene di dimensioni nanometriche, un singolo strato ultraforte di atomi di carbonio strettamente compattati. Gli elettroni raggruppati orbitano attorno al centro del campione di grafene proprio come gli elettroni orbitano attorno al centro di un atomo. Gli elettroni orbitanti normalmente mantengono le stesse identiche proprietà fisiche dopo aver percorso un circuito completo nel grafene. Ma quando un campo magnetico applicato raggiunge un valore critico, agisce come un interruttore, alterando la forma delle orbite e facendo sì che gli elettroni possiedano proprietà fisiche diverse dopo aver completato un circuito completo.

I ricercatori riportano i loro risultati nel numero del 26 maggio 2017 di  Science.

L'interruttore quantistico di recente sviluppo si basa su una proprietà geometrica chiamata fase Berry , dal nome del fisico inglese Sir Michael Berry che sviluppò la teoria di questo fenomeno quantistico nel 1983. La fase Berry è associata alla funzione d'onda di una particella, che nella teoria quantistica descrive lo stato fisico di una particella. La funzione d'onda – si pensi a un'onda oceanica – ha sia un'ampiezza (l'altezza dell'onda) che una fase – la posizione di un picco o di una depressione rispetto all'inizio del ciclo dell'onda. Quando un elettrone compie un circuito completo attorno ad un anello chiuso in modo da ritornare nella sua posizione iniziale, la fase della sua funzione d'onda può spostarsi invece di ritornare al suo valore originale. Questo spostamento di fase, la fase Berry, è una sorta di memoria del viaggio di un sistema quantistico e non dipende dal tempo, ma solo dalla geometria del sistema, ovvero dalla forma del percorso. Inoltre, lo spostamento ha conseguenze osservabili in un’ampia gamma di sistemi quantistici.

I raggi restringenti possono esistere solo nella fantascienza, ma effetti simili sono all’opera nel mondo reale presso il National Institute of Standards and Technology (NIST). Dopo aver miniaturizzato con successo sia gli orologi che i magnetometri basati sulle proprietà dei singoli atomi, i fisici del NIST si sono ora rivolti ai giroscopi di precisione, che misurano la rotazione. Il team del NIST ha dimostrato un giroscopio atomico dal design compatto che potrebbe, con un ulteriore sviluppo, essere portatile, a basso consumo e sufficientemente preciso da essere utilizzato per la navigazione. I giroscopi, tradizionalmente basati su componenti meccanici che ruotano o vibrano, sono comuni nelle applicazioni di navigazione e sono sempre più utilizzati nell'elettronica di consumo come gli smartphone. Il nuovo dispositivo NIST potrebbe trovare impiego in applicazioni che richiedono una navigazione ultra precisa con limiti estremi di dimensioni, peso e potenza, come su veicoli spaziali o sottomarinini. Come bonus, il giroscopio NIST può anche misurare simultaneamente l'accelerazione. Una combinazione giroscopio/accelerometro consente la navigazione tramite "calcolo stimato", senza riferimento a punti di riferimento o stelle esterni. La camera atomica di vetro del giroscopio del NIST ha una dimensione di soli 3,5 centimetri cubi. L'intero apparato sperimentale, compresi laser e ottiche a bassa potenza, è attualmente delle dimensioni di un tavolo, ma i ricercatori del NIST mirano a ridurre l'intero apparato fino a ridurlo a un cubo portatile delle dimensioni di un mini frigorifero.

Descritto in Applied Physics Letters , il giroscopio del NIST è un interferometro atomico. Si basa su una nuvola in espansione di atomi raffreddati al laser, una tecnica originariamente dimostrata all'Università di Stanford in una "fontana" di atomi alta 10 metri. L'interferometria ottica tradizionale prevede la combinazione o l'"interferenza" delle onde elettromagnetiche nella luce e quindi l'estrazione di informazioni sui percorsi luminosi originali dai modelli d'onda risultanti. Allo stesso modo, gli interferometri atomici, sfruttando il fatto che gli atomi agiscono sia come particelle che come onde, interferiscono con queste onde per misurare le forze sugli atomi. Quando gli atomi accelerano o ruotano, le loro onde di materia si spostano e interferiscono in modi prevedibili, visibili negli schemi di interferenza.

Agli albori dell’informatica quantistica, tra i ricercatori cominciò a circolare un aneddoto scherzoso: due scienziati stavano discutendo di un nuovo computer quantistico in grado di risolvere istantaneamente qualsiasi problema. Uno ha detto: “Posso vederlo?” L'altro rispose: "Certo, ma solo quando non guardi". Questa storia divertente dà il tono alla natura sconcertante della meccanica quantistica e alle sfide affrontate dai pionieri del settore. Immergendoci nel mondo dell'informatica quantistica, scopriamo un approccio rivoluzionario che attinge ai misteriosi principi della meccanica quantistica per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati. Fin dai suoi inizi all'inizio del XX secolo, questo campo maestoso ha affascinato scienziati e visionari, con il potenziale di trasformare settori come la crittografia, la scoperta di farmaci e l'ottimizzazione. Divideremo lo sviluppo dell’informatica quantistica in cinque periodi distinti:

1. I fondamenti teorici dell'informatica quantistica (1900-1980)
2. L'emergere dell'informatica quantistica (1980-1994)
3. Lo sviluppo degli algoritmi quantistici (1994-2000)
4. La corsa per costruire computer quantistici (2000-2021)
5. Progressi continui (2021-presente)
   

La meccanica quantistica è caratterizzata da diverse caratteristiche uniche che la distinguono dalla meccanica classica, tra cui la sovrapposizione, l'entanglement e la dualità onda-particella [e anche la non-località]. Queste funzionalità consentono al calcolo quantistico di eseguire attività impossibili o proibitivamente lente sui computer classici.

Proprietà dei computer quantistici (Fonte: SN Computer Science)

Una semplice rappresentazione grafica di alcune delle funzionalità quantistiche che consentono il calcolo quantistico. La sovrapposizione è la capacità di esistere in due stati diversi contemporaneamente. L'interferenza si riferisce alle proprietà delle onde di somma e sottrazione di magnitudo che consentono la manipolazione dello stato. L'entanglement consente di unire insieme qubit distinti, indipendentemente dalla loro distanza

Sovrapposizione: nella meccanica quantistica, le particelle possono esistere in più stati contemporaneamente. Nel contesto dell'informatica quantistica, questo principio è rappresentato dai qubit (bit quantistici), che possono essere 0 e 1 contemporaneamente, a differenza dei bit classici che sono 0 o 1. Ciò consente ai computer quantistici di elaborare grandi quantità di dati parallelamente, aumentando esponenzialmente la loro potenza computazionale.

Entanglement: L'entanglement quantistico è un fenomeno in cui lo stato di una particella diventa dipendente dallo stato di un'altra, anche se separata da grandi distanze. Nell’informatica quantistica, i qubit entangled possono essere utilizzati per eseguire operazioni coordinate, consentendo calcoli e comunicazioni più efficienti.

Dualità onda-particella: la meccanica quantistica postula che le particelle esibiscono proprietà sia ondulatorie che particellari. Questo concetto gioca un ruolo cruciale nello sviluppo di algoritmi quantistici che sfruttano la natura ondulatoria dei qubit per eseguire calcoli complessi.

Riepilogo dello sviluppo degli algoritmi quantistici ( Fonte:Springer)

1. Algoritmo di Shor : Nel 1994, Peter Shor, un matematico e informatico americano, sviluppò il primo algoritmo quantistico, ora noto come algoritmo di Shor. Questo algoritmo sfrutta i principi della meccanica quantistica per fattorizzare in modo efficiente grandi numeri, un compito che richiederebbe esponenzialmente più tempo sui computer classici. La capacità di fattorizzare grandi numeri ha implicazioni significative per la crittografia, poiché molti schemi di crittografia, come RSA, fanno affidamento sulla difficoltà di questo problema per la loro sicurezza. L'algoritmo di Shor ha dimostrato la potenziale potenza del calcolo quantistico, evidenziandone la capacità di risolvere problemi che in precedenza erano considerati intrattabili per i computer classici.
   
   
2. Algoritmo di Grover : Nel 1996, Lov Grover, uno scienziato informatico indiano-americano, sviluppò un altro influente algoritmo quantistico, noto come algoritmo di Grover. Questo algoritmo è progettato per eseguire ricerche nei database non ordinati in modo più efficiente rispetto agli algoritmi classici. L'algoritmo di Grover può eseguire ricerche in un database di N elementi in circa √N passi, offrendo una velocità quadratica rispetto agli algoritmi classici, che richiedono circa N passi. Sebbene l’accelerazione fornita dall’algoritmo di Grover sia meno drammatica di quella dell’algoritmo di Shor, dimostra comunque il potenziale del calcolo quantistico di superare il calcolo classico in compiti specifici.
   
   
3. Impatto sulla ricerca sull'informatica quantistica: lo sviluppo degli algoritmi di Shor e Grover ha avuto un profondo impatto sul campo dell'informatica quantistica. Questi primi algoritmi quantistici hanno fornito esempi concreti dei potenziali vantaggi dell’informatica quantistica, suscitando un notevole interesse sia da parte dei ricercatori che delle agenzie di finanziamento. Di conseguenza, la ricerca sull’informatica quantistica ha subito un’accelerazione, con gli scienziati che esplorano lo sviluppo di nuovi algoritmi quantistici, codici di correzione degli errori e implementazioni hardware.
   
   
4. Sviluppi teorici e nuovi algoritmi quantistici: ispirati dal successo degli algoritmi di Shor e Grover, i ricercatori hanno iniziato a esplorare lo sviluppo di ulteriori algoritmi quantistici alla fine degli anni '90. Questo periodo ha visto la proposta di vari algoritmi quantistici per problemi come il problema del logaritmo discreto, il problema dei sottogruppi nascosti e la simulazione quantistica. Questi nuovi algoritmi hanno ulteriormente dimostrato il potenziale dell’informatica quantistica e ampliato la gamma di problemi per i quali i computer quantistici potrebbero offrire vantaggi significativi rispetto ai computer classici.

Lo sviluppo degli algoritmi quantistici, in particolare degli algoritmi di Shor e Grover, ha svolto un ruolo cruciale nel progresso dell'informatica quantistica tra la metà e la fine degli anni '90. Questi algoritmi hanno messo in luce la potenziale potenza dell’informatica quantistica e hanno suscitato notevole interesse e investimenti nel settore. Il successo di questi primi algoritmi ha ispirato i ricercatori a esplorare nuovi algoritmi quantistici e a sviluppare ulteriormente le basi teoriche dell’informatica quantistica, aprendo la strada ai continui progressi nel campo.

L’inizio del 21° secolo ha visto un’intensa corsa tra ricercatori, giganti della tecnologia e startup per costruire computer quantistici pratici. Questo periodo ha visto progressi significativi nello sviluppo di varie tecnologie di calcolo quantistico, nonché importanti traguardi, come l’annuncio di Google della “supremazia quantistica”. In questa sezione discuteremo gli sviluppi chiave nella corsa alla costruzione di computer quantistici, concentrandoci su diversi approcci, traguardi e sfide continue nel settore.

1. Approcci all'informatica quantistica: i ricercatori hanno esplorato vari approcci alla costruzione di computer quantistici, ciascuno dei quali presenta vantaggi e sfide unici. Alcuni dei metodi più importanti includono (1) Ioni sfruttati, (2) Qubit superconduttori, (3) Qubit topologici e così via.
2. D-Wave Systems e Quantum Annealing : nel 2011, la società canadese D-Wave Systems ha affermato di aver costruito il primo computer quantistico disponibile in commercio, il D-Wave One. Questo sistema era basato sulla ricottura quantistica, un approccio specializzato al calcolo quantistico incentrato sulla risoluzione dei problemi di ottimizzazione. Tuttavia, l'applicabilità pratica e la vera natura quantistica dei sistemi D-Wave sono stati oggetto di dibattito tra i ricercatori, con alcuni che sostenevano che i sistemi fornissero solo una velocità limitata rispetto ai computer classici.
3. La supremazia quantistica di Google: nel 2019, Google ha annunciato un'importante pietra miliare nello sviluppo dell'informatica quantistica raggiungendo la "supremazia quantistica" con il suo processore Sycamore da 53 qubit. Il computer quantistico di Google ha risolto in 200 secondi un problema specifico che un supercomputer classico avrebbe impiegato circa 10.000 anni per essere completato. Questo risultato ha segnato la prima volta che un computer quantistico ha sovraperformato i computer classici in un compito computazionale ben definito, fornendo una prova di concetto della potenziale potenza del calcolo quantistico.
4. Sfide e sviluppi continui: nonostante i progressi significativi compiuti nel campo dell’informatica quantistica durante questo periodo, permangono diverse sfide. Questi includono il miglioramento dei tempi di coerenza dei qubit, lo sviluppo di architetture scalabili e tolleranti agli errori e la creazione di tecniche pratiche di correzione degli errori. I ricercatori continuano a esplorare nuovi materiali, tecniche e algoritmi per affrontare queste sfide e ampliare i confini dell’informatica quantistica. Inoltre, i giganti della tecnologia come IBM, Microsoft e Google, così come numerose startup, continuano a investire massicciamente nella ricerca sull’informatica quantistica, alimentando rapidi progressi nel campo.

La corsa alla costruzione di computer quantistici all’inizio del 21° secolo ha visto notevoli progressi e traguardi significativi, come la dimostrazione della supremazia quantistica da parte di Google. I ricercatori hanno esplorato vari approcci al calcolo quantistico, ciascuno dei quali offre vantaggi e sfide unici. Mentre il campo continua ad avanzare, superare gli ostacoli rimanenti sarà fondamentale per realizzare il pieno potenziale dell’informatica quantistica e consentirne l’applicazione pratica in un’ampia gamma di settori. L’informatica quantistica ha continuato a fare rapidi progressi dal 2021, con investimenti significativi da parte di governi, aziende private e istituzioni accademiche. Il focus della ricerca e dello sviluppo nel campo è stato quello di migliorare le capacità dei computer quantistici, affrontare le sfide esistenti ed esplorare nuove applicazioni. In questa sezione discuteremo alcuni dei progressi in corso e le aree di interesse nell'informatica quantistica.

1. Espansione dei computer quantistici: una delle sfide principali nel campo dell’informatica quantistica è aumentare il numero di qubit in modo scalabile e stabile. Computer quantistici più grandi con più qubit hanno il potenziale per risolvere problemi sempre più complessi e fornire una maggiore potenza di calcolo. I ricercatori stanno lavorando attivamente su tecniche per espandere i sistemi quantistici mantenendo bassi tassi di errore e lunghi tempi di coerenza.
2. Correzione degli errori e tolleranza agli errori: con la crescita dei computer quantistici, affrontare i problemi relativi alla correzione degli errori e alla tolleranza agli errori diventa sempre più importante. I sistemi quantistici sono altamente suscettibili agli errori a causa della loro natura fragile e sensibilità al rumore ambientale. Lo sviluppo di robuste tecniche di correzione degli errori e di architetture tolleranti agli errori è fondamentale per garantire l’utilizzabilità pratica dei computer quantistici per le applicazioni del mondo reale.
3. Nuovi algoritmi quantistici: i ricercatori continuano a sviluppare nuovi algoritmi quantistici che sfruttano le proprietà uniche dei computer quantistici. Questa ricerca in corso mira a scoprire algoritmi quantistici efficienti per vari ambiti problematici, come l’ottimizzazione, l’apprendimento automatico e la crittografia, ampliando ulteriormente la gamma di problemi che i computer quantistici possono affrontare in modo più efficiente rispetto ai computer classici.
4. Crittografia quantistica e crittografia post-quantistica: l’informatica quantistica rappresenta una minaccia significativa per gli schemi crittografici esistenti, come RSA, che si basano sulla difficoltà di fattorizzare grandi numeri. L'algoritmo di Shor, ad esempio, ha il potenziale per violare la crittografia RSA. Ciò ha stimolato la ricerca sia sulla crittografia quantistica, che sfrutta i principi della meccanica quantistica per proteggere la comunicazione, sia sulla crittografia post-quantistica, che mira a sviluppare nuovi schemi crittografici in grado di resistere agli attacchi sia dei computer classici che di quelli quantistici.
5. Applicazioni nell'ottimizzazione, nell'intelligenza artificiale e nella scoperta di farmaci: l'informatica quantistica è promettente in vari campi, inclusi i problemi di ottimizzazione, l'intelligenza artificiale e la scoperta di farmaci. I computer quantistici possono potenzialmente risolvere alcuni problemi di ottimizzazione più velocemente dei computer classici, portando a miglioramenti in aree quali la logistica, la finanza e la gestione della catena di fornitura. Nell’intelligenza artificiale, l’informatica quantistica può potenzialmente migliorare gli algoritmi di apprendimento automatico, consentendo un addestramento più rapido e modelli più accurati. Nella scoperta dei farmaci, i computer quantistici potrebbero essere in grado di simulare complesse interazioni molecolari, portando allo sviluppo di nuovi prodotti farmaceutici e a una comprensione più profonda dei processi biologici.
   
   

I progressi in corso nell’informatica quantistica dal 2021 evidenziano i rapidi progressi compiuti nel campo. Mentre i ricercatori continuano ad affrontare le sfide legate alla scalabilità, alla correzione degli errori e alla tolleranza agli errori ed esplorano nuovi algoritmi e applicazioni, il potenziale impatto dell’informatica quantistica in vari ambiti diventa sempre più evidente. Con investimenti e ricerca sostenuti, l’informatica quantistica ha il potenziale per rivoluzionare molteplici settori e promuovere progressi significativi nella tecnologia e nella scienza.

Conclusione

Nel corso della sua storia, l’informatica quantistica ha compiuto notevoli progressi, evolvendosi dalle sue basi teoriche all’inizio del XX secolo fino ai progressi attuali. Questo viaggio è stato segnato da traguardi significativi, come lo sviluppo di algoritmi quantistici rivoluzionari da parte di Shor e Grover, la dimostrazione della supremazia quantistica da parte di Google e gli sforzi continui per costruire computer quantistici pratici.

Mentre il campo continua ad avanzare rapidamente, i ricercatori stanno affrontando le sfide legate all’ampliamento dei sistemi quantistici, al miglioramento dei tassi di errore e allo sviluppo di architetture tolleranti ai guasti. Allo stesso tempo, vengono esplorati nuovi algoritmi quantistici, che possono sfruttare ulteriormente la potenza dei computer quantistici ed espandere la loro gamma di applicazioni.

L’informatica quantistica ha un enorme potenziale in vari ambiti, tra cui la crittografia, i problemi di ottimizzazione, l’intelligenza artificiale e la scoperta di farmaci. Mentre i governi, le aziende private e le istituzioni accademiche continuano a investire massicciamente in ricerca e sviluppo, il potenziale impatto dell’informatica quantistica sulla tecnologia e sulla scienza diventa sempre più evidente.

• Hrant Gharibian (2023), Quantum Annealing - BluQubit
• NIST1, Quantum Information Applications Without Computers
• D. J. WINELAND, J. C. BERGQUIST, J. J. BOLLINGER, R. E. DRULLINGER, AND W. M. ITANOD. J. WINELAND, J. C. BERGQUIST, J. J. BOLLINGER, R. E. DRULLINGER, AND W. M. ITANO QUANTUM COMPUTERS AND ATOMIC CLOCKS (PDF)
  
• NIST (2017), Researchers Develop Magnetic Switch to Turn On and Off a Strange Quantum Property
• NIST (2016), NIST's Compact Gyroscope May Turn Heads

Pagina aggiornata il 7 giugno 2024