L'ambizioso piano per computer quantistici di IBM da un milione di Qubit

IBM, una delle aziende tecnologiche più antiche del mondo, sta costruendo un frigorifero. Questo, di per sé, non è senza precedenti. Altre società tecnologiche lo hanno fatto frigoriferi costruiti prima. LG vende l'impressionante frigorifero intelligente porta a porta LG InstaView connesso tramite Wi-Fi. Samsung, un altro produttore di dispositivi globale, produce l'eccellente RF23J9011SR Flex a 4 porte con funzione Power Cool.

Ma il frigorifero IBM (ancora in fase di sviluppo) è diverso. Molto diverso, in effetti. Per prima cosa sarà enorme: alto 10 piedi e largo 6 piedi. Farà anche un freddo inimmaginabile, intorno ai 15 millikelvin, o -459 Fahrenheit, che è più freddo dello spazio. Prende anche il nome da un film di James Bond, Goldeneye.

Tuttavia, la differenza più grande tra questo e il normale frigorifero da cucina è il suo contenuto pianificato. Non aspettarti un portauova integrato, cassetti per verdure e spazio per il tuo zabaione stagionale. Invece, ospiterà il primo computer quantistico da 1 milione di qubit al mondo, una volta che anche quello sarà costruito.

“Affinché gli effetti quantistici emergano, [i computer quantistici] devono essere raffreddati a temperature estremamente basse”, Jerry Chow, direttore del Quantum Hardware System Development presso IBM, ha dichiarato a Digital Trends. "In effetti, tutta l'infrastruttura che gira intorno, anche solo il processore stesso, richiede una discreta quantità di raffreddamento, soprattutto quando la si ingrandisce, giusto?"

È stato questo processo di espansione che ha portato Chow e il suo team all'inevitabile conclusione che IBM aveva davvero bisogno di entrare nel settore della refrigerazione, almeno per quanto riguarda la sua portata computer. Per prima cosa, esiste un limite all’attuale capacità di raffreddamento. Poi ci sono problemi come il mantenimento dell’integrità del vuoto e il bilanciamento del peso dei vari componenti necessari per il raffreddamento. L'informatico Alan Kay una volta disse che un'azienda seria riguardo al software dovrebbe anche costruire il proprio hardware. Forse l’equivalente quantistico di ciò dovrebbe essere che l’azienda seria riguardo al calcolo quantistico non solo costruisca il proprio computer quantistico, ma anche il proprio frigorifero per ospitarlo.

"Se ci limitiamo a fare un po' di ridimensionamento, inizi a vedere che, a un certo punto, ciò che puoi ottenere dai venditori commerciali non è sufficiente", ha detto Chow. "Devi iniziare a pensare a come andare oltre [questo]?"

Cosa rende l’informatica quantistica così diversa, così attraente?

Il super frigorifero di IBM è, a un certo livello, una falsa pista. È un po’ come costruire un nuovo garage per la Tesla che ti viene consegnata. Certo, quella fantastica porta da garage con telecomando che hai installato è entusiasmante, ma non lo è IL un po' emozionante. In questa analogia, il nuovo Tesla Model S o Cybertruck è il quanto da un milione di qubit pianificato da IBM. E, a patto che IBM riesca a costruirlo come previsto, sarà un prodotto stupido, più che degno del frigorifero più sofisticato del mondo.

I computer quantistici furono proposti per la prima volta negli anni '80 dal fisico americano Paul Benioff, sebbene la meccanica quantistica su cui si basano risalga a agli anni ’20, quando i fisici cominciarono a notare che alcuni esperimenti non producevano i risultati che avevano previsto utilizzando la loro attuale comprensione fisica. Richard Feynman, David Deutsch, Yuri Manin e altri colsero l'idea di un modello quantomeccanico di una macchina di Turing, suggerendo che un computer quantistico potrebbe essere utilizzato per simulare cose che semplicemente non possono essere simulate tramite un computer classico che utilizza la tecnica classica fisica. Nel 1994, Dan Simon dimostrò che un computer quantistico potrebbe esserlo esponenzialmente più veloce di un computer classico.

Una delle grandi differenze con la quantistica è il concetto di sovrapposizione. Un computer classico può essere uno stato A o B (o, in termini binari, uno o zero). Un computer quantistico può essere una miscela dei due. (Quello è il L’esperimento mentale del gatto di Schrödinger in cui un gatto in una scatola potrebbe essere vivo, morto o sia vivo che morto contemporaneamente.) Poi ci sono altri concetti come il collasso, l’incertezza e l’entanglement, che rendono i computer quantistici molto diversi da quelli in cui tu ed io siamo cresciuti SU.

Allo stesso modo in cui un computer classico opera su bit, i computer quantistici operano su quelli che vengono chiamati qubit. Al momento, l’attuale computer quantistico più grande di IBM ha 65 qubit. Entro il 2023 ne vuole costruire uno con 1.000 qubit. E qualche tempo dopo – una data sulla quale l’azienda non si impegnerà, ma che è certamente sulla sua tabella di marcia – costruirà una macchina da 1 milione di qubit.

Passare da 65 qubit a un milione di qubit è un bel salto. Ma l’informatica, anche quella classica, si rivela piuttosto buona quando si tratta di balzi esponenziali. La legge di Moore afferma che il numero di transistor che possono essere inseriti su un circuito raddoppia circa ogni due anni. La cosa più vicina alla Legge di Moore è quella che viene chiamata Legge di Rose, formulata da Geordie Rose nel 2002. La legge di Rose afferma che il numero di qubit in un computer quantistico raddoppia ogni due anni.

Rispetto alla Legge di Moore, le implicazioni della Legge di Rose sono probabilmente ancora più profonde perché, come osservano Peter Diamandis e Steven Kotler nel loro libro Il futuro è più veloce di quanto pensi: come le tecnologie convergenti stanno trasformando il business, le industrie e le nostre vite, i qubit in sovrapposizione hanno molta più potenza dei bit binari nei transistor.

Poiché “più” non è sempre uguale a “meglio”, una delle modifiche concettuali apportate da IBM a questa nozione si basa sul concetto più sfumato di ciò che IBM chiama volume quantico. “Non si tratta solo di ridimensionare il numero fisico di qubit”, ha detto Chow. “Alla fine, ciò che conta è sia il numero di qubit sia le loro prestazioni; quanto è grande il circuito che puoi effettivamente eseguire su quell'hardware prima che i qubit si decoerano e le tue informazioni quantistiche scompaiano. Il volume quantico è uno di questi parametri”.

Cosa aspettarsi quando ti aspetti i computer quantistici

“Tutto ciò che chiamiamo reale”, afferma Niels Bohr, una delle figure fondatrici della meccanica quantistica, “è fatto di cose che non possono essere considerate reali”. Data la premessa della sovrapposizione quantistica, forse è appropriato che i computer quantistici oggi esistano in uno strano mondo crepuscolare di qui e non Qui. IBM è solo una delle aziende ad aver costruito computer quantistici funzionanti (Google, Baidu e Amazon sono alcuni degli altri grandi nomi). anche algoritmi quantistici – in alcuni casi, quelli che non possono ancora essere eseguiti in modo efficace sui computer quantistici che le persone hanno costruito.

Eppure, nonostante tutte le dimostrazioni di concetti e i motivi di entusiasmo, è giusto dire che il mondo non ha ancora iniziato ad avvicinarsi allo sfruttamento dell’enorme potere dell’informatica quantistica. "Ciò che [il calcolo quantistico] comporta in termini di applicazioni reali non è ancora del tutto noto", ha affermato Chow.

Alcuni dei potenziali casi d'uso più interessanti: che si tratti di chimica computazionale o finanziaria la modellazione, la sicurezza informatica e la criptovaluta o le previsioni avanzate rimangono fantasmi nel mondo quantistico macchina. Per ora, almeno.

Perché IBM si concentra sulla computazione quantistica? “Il nostro focus è su come realizzare il futuro dell’informatica”, ha affermato Chow. La quantistica è una parte inevitabile di quel futuro.

L’informatica quantistica è una delle tre grandi scommesse di IBM per il futuro. Questa santa trinità delle tecnologie future è composta dall’informatica quantistica, dall’intelligenza artificiale e dal cloud. Ma non si tratta di scommesse individuali, come accadrebbe se investiste i vostri risparmi in tre startup promettenti, credendo che uno dei tre abbia la possibilità di diventare un unicorno che compenserà più che eventuali perdite subite dal altri due.

Il quantistico, ad esempio, potrebbe cambiare le regole del gioco per l’A.I. Non c’è dubbio che l’intelligenza artificiale – e, più specificamente, apprendimento automatico - ha goduto di progressi sorprendenti utilizzando l'architettura informatica classica. Ma la quantistica promette di accelerare ancora di più le cose. Versioni quantistiche degli attuali algoritmi di machine learning (o, più probabilmente, completamente nuove, molto più veloci alternative) saranno in grado di realizzare enormi progetti di intelligenza artificiale basati sui dati. calcoli a un ritmo significativamente più veloce valutare. Saranno in grado di gestire il numero sbalorditivo di dimensioni che emergono dai dati e di mapparle nel grande spazio delle caratteristiche quantistiche. L’entanglement quantistico potrebbe essere utilizzato per scoprire nuovi modelli che non possono essere scoperti con l’informatica classica tradizionale.

Galleggiando sulla nuvola quantistica

Il cloud è anche una parte fondamentale della scommessa quantistica di IBM. In generale, la progressione popolare dell’informatica classica è stata una transizione dai mainframe ai minicomputer fino ai personal computer. Negli anni Cinquanta le persone avevano accesso a computer enormi solo in stanze grandi e climatizzate. Alla fine degli anni ’70 e ’80, le persone avevano i computer nelle loro case. Negli anni '90, le persone avevano computer portatili da portare in borsa. Oggi abbiamo i computer sotto forma di smartphone che portiamo in tasca.

Sembra improbabile che i computer quantistici subiranno lo stesso cambiamento nel fattore di forma a causa dei requisiti (come il raffreddamento estremo) di un computer quantistico.

“Per quanto riguarda [avere un computer quantistico fisico] sulla propria scrivania, potrei sbagliarmi, ma non mi è chiaro se sarà così”, ha detto Chow. “La maggior parte dei sistemi che costruisci richiedono questo livello di coerenza quantistica, sia esso un sistema superconduttore o ioni intrappolati, richiedono tutti un bel po' di infrastrutture per mantenerli, soprattutto se si cresce su."

Ma è qui che entra in gioco la rivoluzione del cloud computing. Il cloud computing significa che gli utenti hanno accesso alle funzionalità dei supercomputer indipendentemente dal fatto che si trovino nelle stesse vicinanze fisiche. La potenza di elaborazione o lo storage non sono più limitati all'hardware disponibile sulla scrivania come 20 anni fa.

“Oggi si fa così tanto sul cloud e la gente non se ne accorge nemmeno”, ha detto Chow. “Quante volte le persone si rendono conto che qualcosa non viene elaborato da sole computer portatili o sui propri telefoni, ma da qualche altra parte? Ecco come funzionerà il quantum over the cloud”.

In una certa misura, è così che funziona l'informatica quantistica Già lavorando. Nel maggio 2016, IBM ha lanciato il suo Esperienza quantistica, un processore quantistico a cinque qubit e un simulatore di corrispondenza connesso che consente agli utenti di eseguire esperimenti su un sistema informatico quantistico. Ad oggi, IBM Quantum ha implementato 32 processori quantistici sul cloud, con oltre 280.000 utenti in tutto il mondo che complessivamente utilizzano più di 1 miliardo di circuiti quantistici al giorno. Man mano che verranno resi disponibili computer quantistici più potenti, anche questi saranno accessibili agli utenti tramite il cloud.

"Avrai problemi che verranno risolti naturalmente utilizzando le migliori tecniche che conosciamo nei computer tradizionali", ha detto Chow. “Ma poi ci sono anche parti di questi problemi che oggi sono troppo complesse da risolvere [anche con sistemi informatici ad alte prestazioni] e che potrebbero essere adatte ai computer quantistici”.

No, non eseguirai il tuo foglio di calcolo Excel su un computer quantistico tanto presto (se non mai). I computer classici possono eseguire Excel perfettamente. Ma parti delle applicazioni potrebbero certamente sfruttare le capacità quantistiche, sia per cose come la crittografia che per un migliore apprendimento automatico. Potrebbero esserci anche esempi più affascinanti e frivoli. Per esempio, James Wootton, un altro ingegnere IBM, sta utilizzando l'informatica quantistica per farlo generazione casuale di terreni nei giochi per computer. Hai mai sognato un gioco che potesse riconfigurarsi completamente ogni volta che giochi a un livello inimmaginabile? La quantistica è la tua risposta.

Il modello ibrido

“Questo è ciò che intendiamo per modello computazionale del cloud ibrido”, ha affermato Chow. “Avrai il tuo carico di lavoro problematico che verrà immesso in un computer e le parti giuste andranno a un computer classico e le altre parti andranno a un computer quantistico. Poi viene fuori una soluzione. Questa è l’immagine che puoi immaginare in futuro. [Quantum is] non sostituisce [i computer classici], ma funzioneranno sicuramente mano nella mano."

IBM non si impegnerà su quando consegnerà esattamente il suo computer da un milione di qubit o, del resto, quando il suo frigorifero Goldeneye sarà finito. Ma è abbastanza chiara la convinzione che l’informatica quantistica rappresenterà un punto di svolta.

In un post scritto per il blog di IBM all’inizio di quest’anno, Jay Gambetta, membro dell'IBM e vicepresidente dell'informatica quantistica, ha paragonato la prossima generazione di computer quantistici IBM alle missioni Apollo che hanno portato allo sbarco sulla Luna. Questo è proprio il paragone. Potrebbe anche essere accurato.

Qui nel 2020, con la prospettiva di a sbarco sulla luna nuova incredibilmente più vicino di quanto non sia stato da decenni, sembra un confronto molto più ottimista di quanto avrebbe potuto essere anche solo pochi anni fa. Dovrebbe valere la pena aspettare.

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