Quantum design: sviluppare i supercomputer del futuro

• Autore:
• Nome dell'autore

  Preveggenza quantistica
• 3 Febbraio 2023

Riepilogo approfondimenti

Dagli anni '1970, i circuiti integrati per computer si sono sviluppati rapidamente, passando da dozzine a miliardi di componenti elettronici. Questo progresso è stato reso possibile in parte dall'invenzione del software di progettazione assistita da computer (CAD). Utilizzando il CAD, gli ingegneri potevano calcolare e simulare circuiti elettronici sempre più complessi sui computer esistenti. Questi esperimenti li stanno ora ispirando a progettare processori di nuova generazione con potenza di calcolo illimitata, come i computer quantistici.

Contesto del design quantistico

Tra le sfide più complesse che devono affrontare le discipline scientifiche e tecnologiche collettive c'è lo sviluppo di computer quantistici. Questi supercomputer hanno un'enorme capacità di calcolo parallelo e il potenziale per accelerare in modo esponenziale le prestazioni dei computer convenzionali nella risoluzione di sfide sociali ed economiche critiche come la crittografia, l'ottimizzazione dei big data, la progettazione dei materiali e l'analisi dei farmaci. 

Il calcolo quantistico superconduttore mira ad aumentare il numero di qubit (bit quantici) che possono essere integrati nei processori per migliorare le prestazioni ed elaborare i dati molto più velocemente. Un qubit è un'unità di informazione in un sistema quantomeccanico. Nel calcolo classico, i bit possono avere valori zero o uno. Al contrario, i qubit possono avere qualsiasi valore compreso tra zero e uno a causa della natura della meccanica quantistica. Questa caratteristica rende i dispositivi quantistici altamente versatili ed efficienti.

Nel maggio 2021, i ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) hanno progettato un processore quantistico superconduttore programmabile a 62 qubit che prende il nome dal matematico e astronomo cinese del V secolo Zu Chongzhi. Questo computer ha eseguito passeggiate quantistiche programmabili bidimensionali (utilizzate per sviluppare algoritmi) sul sistema. 

Secondo i ricercatori, lo Zu Chongzhi può aiutare a semplificare la pianificazione dei trasporti ottimizzando il flusso del traffico urbano. Il computer ha anche il potenziale per essere integrato con successo nei flussi di lavoro delle aziende farmaceutiche entro il 2027. Ad esempio, i dispositivi quantistici possono identificare rapidamente la combinazione di farmaci più promettente tra tutte le possibilità disponibili di molecole di farmaci. 

Impatto dirompente

A causa del suo potenziale rivoluzionario, il design quantistico è diventato un punto focale della concorrenza tra paesi e aziende. Nel settembre 2021, i ricercatori dell'USTC hanno utilizzato un algoritmo quantistico per progettare un modello di qubit più potente chiamato plasonium. Questa scoperta è significativa perché i complessi chip di computer richiedono molte simulazioni per l'ottimizzazione. Progettare miglioramenti su un computer quantistico accelererebbe le intuizioni e i progressi nel campo. I progressi nella progettazione quantistica possono portare a veicoli e robot autonomi più efficienti e ad altri sistemi che richiedono grandi quantità di potenza di calcolo.

Quindi, nel novembre 2022, IBM ha annunciato di aver progettato un rivoluzionario processore quantistico a 127 qubit chiamato Eagle. Per raggiungere questa svolta, gli ingegneri IBM hanno incorporato un progetto di disposizione dei qubit per ridurre gli errori e il numero di componenti richiesti. Con questa macchina, i ricercatori possono affrontare problemi a un livello più elevato di complessità durante la conduzione di esperimenti e l'esecuzione di applicazioni. Esempi di tali attività sono l'ottimizzazione dell'apprendimento automatico e la modellazione di nuove molecole e materiali da utilizzare in settori che vanno dall'energia alla scoperta di farmaci.

Implicazioni della progettazione quantistica

Implicazioni più ampie della progettazione quantistica possono includere: 

• La tecnologia quantistica viene utilizzata per ignorare la crittografia e le complesse misure di sicurezza informatica, lasciando le informazioni più vulnerabili che mai. Tuttavia, la stessa tecnologia può progettare tecniche di comunicazione ultra sicure.
• Robot di intelligenza artificiale (AI) che utilizzano computer quantistici per accedere a dati di addestramento più accurati e complessi che miglioreranno enormemente le loro prestazioni.
• Scienziati che acquisiscono nuovi strumenti per accelerare il processo di scoperta terapeutica impiegando tecniche di calcolo quantistico per esaminare più molecole, proteine ​​e sostanze chimiche contemporaneamente.
• Computer quantistici che ottimizzano le catene di approvvigionamento, le operazioni della flotta, il controllo del traffico aereo e le consegne riducendo le rotte inefficienti e gli sprechi.
• Poiché i supercomputer possono analizzare numerosi modelli di dati contemporaneamente, i meteorologi saranno in grado di anticipare eventi meteorologici più gravi ed emettere avvisi tempestivi.

Domande da considerare

• Come immagini che i computer quantistici rivoluzioneranno il tuo lavoro?
• Quali sono gli altri vantaggi dei supercomputer altamente efficienti e intelligenti?