Questo computer quantistico rappresenta un enorme passo avanti

Mercoledì scorso, i ricercatori del Joint Quantum Institute dell'università del Maryland hanno pesentato il primo computer quantistico completamente programmabile e riconfigurabile. La macchina a cinque cubit, presentata sulla rivista Nature, rappresenta un incredibile passo avanti per l'informatica quantistica—e il ribaltamento di ciò che consideravamo calcolabile.

Non facciamo che ripetere astrattamente che le capacità dei computer quantistici del futuro distruggeranno le fondamenta della sicurezza digitale di cui godiamo ora, semplicemente esistendo. Perché? Solo perché saranno davvero potenti, è la risposta universale della scienza popolare. Un computer molto potente, roba mai vista prima, potrebbe impiegare le proprie qualità per mettere a fattore numeri molto più velocemente di quanto potrebbero mai fare dei super computer non quantistici. L'algoritmo RSA, che tiene al sicuro la maggior parte dei nostri dati digitali, è basato sul fatto che non può fare questa cosa.

Il meccanismo dietro questo limite dell'algoritmo RSA esiste dal 1994, un anno prima che la prima porta logica quantistica fosse realizzata al laboratorio del NIST, in Colorado. Si chiama algoritmo di Shor ed è un metodo che mette a fattore numeri interi molto grandi usando un hardware quantistico. Come molti algoritmi quantistici, si basa su un'operazione matematica nota come trasformata di Fourier (QFT), che è in grado di scomporre uno stato quantistico nelle sue parti costituenti.

Il QFT è stato uno dei tre algoritmi che Shantanu Debnath e il suo gruppo al Joint Quantum Institute sono riusciti a implementare con successo, usando il loro modulo di calcolo quantistico. Per quanto ora sia limitato a cinque qubit, questo computer potrebbe arrivare potenzialmente a 100 qubit e soprattutto, potrebbe collegarsi ad altri computer (da qui l'aspetto modulare), magari usando canali fotonici. Mettere in comunicazione questi moduli significherebbe creare macchine quantistiche sempre più grandi.

Il computer quantistico di Debnath e colleghi si basa su ioni intrappolati, o su atomi che hanno una carica positiva o negativa. Questa carica è manipolata in modo tale che gli ioni possono essere spinti qua e là attraverso i campi magnetici—nell'immagine in alto, sono sistemati lungo una linea retta. Quando sono stretti, gli ioni si comportano come particelle di un cristallo, pertanto è possibile farli vibrare tutti in modo coerente. Se gli ioni producono il ronzio giusto si ottiene l'entaglement quantistico, uno scenario in cui le particelle, da una certa prospettiva, diventano indistinguibili.

In questo modo, le particelle condividono lo stesso stato e si comportano come specchi l'una dell'altra. In una disposizione lineare di questo tipo, l'entaglement permette un passaggio d'informazione non vincolato dalla vicinanza: l'informazione può saltare. Questa è una prerogativa dei computer quantistici a ioni intrappolati—altre architetture quantistiche sono limitate dall'entaglement da vicina-a-vicina, e hanno quindi dimensioni meno variabili.

Nella macchina di Debnath e colleghi funziona tutto grazie a laser di diversi colori. All'inizio di un calcolo, un laser viene usato per aumentare l'energia dei qubit (gli ioni) finché non raggiungono lo stato quantistico desiderato. Poi, le particelle attraversano una serie di porte quantistiche, che sono a loro volta implementate con raggi laser (in parte è proprio questo che rende il sistema riconfigurabile). Funzionando un po' come interruttori e transistor, queste porte rappresentano il calcolo effettivo. Gli stati delle particelle dall'altra parte delle porte rappresentano invece il risultato del calcolo.

"Riducendo un algoritmo in una serie di pulsazioni laser che premono sugli ioni giusti, possiamo riconfigurare il cablaggio tra questi qubit dall'esterno," ha detto Debnath. "Diventa una questione di software. Nessuna architettura di calcolo quantistico può vantare questa stessa flessibilità."

I ricercatori sono riusciti a riconfigurare il computer, che aveva una fedeltà media del 98 percento, per far funzionare una serie di nuovi algoritmi senza cambiare l'hardware. Hanno fatto girare l'algoritmo QFT con un'accuratezza del 70 percento circa, cosa non proprio ideale. Gli altri due algoritmi testati, sembravano destinati a restituire risultati rispetti del 90 e del 95 percento di accuratezza media. Un computer quantistico di uso generico nel mondo reale avrà bisogno di moltiplicare il numero di qubit e ridurre i suoi margini di errore a livelli irrosori. E al momento nessuna di queste due cose sembra un'impresa impossibile.

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