Computer quantistici autoriparanti: privi di errori e tolleranti ai guasti

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  Preveggenza quantistica
• 14 Febbraio 2023

Riepilogo approfondimenti

Il calcolo quantistico rappresenta un cambio di paradigma nell'elaborazione informatica. Questi sistemi hanno il potenziale per risolvere calcoli complessi in pochi minuti che richiederebbero anni, a volte secoli, ai computer classici. Tuttavia, il primo passo per consentire il pieno potenziale delle tecnologie quantistiche è garantire che possano riparare autonomamente i propri output.

Contesto di calcolo quantistico autoriparante

Nel 2019, il chip Google Sycamore, contenente 54 qubit, è stato in grado di eseguire un calcolo in 200 secondi che normalmente un computer classico impiegherebbe 10,000 anni per completare. Questo risultato è stato il catalizzatore della supremazia quantistica di Google, ricevendo il riconoscimento mondiale come un importante passo avanti nell'informatica quantistica. Successivamente, questo ha generato ulteriori ricerche e progressi nel campo.

Nel 2021, Sycamore ha fatto un altro passo avanti dimostrando di poter correggere errori di calcolo. Tuttavia, il processo stesso ha introdotto nuovi errori in seguito. Un problema comune nell'informatica quantistica è che i tassi di accuratezza dei loro calcoli sono ancora carenti rispetto ai sistemi classici. 

I computer che utilizzano bit (cifre binarie, che sono la più piccola unità di dati del computer) con due stati possibili (0 e 1) per memorizzare i dati sono dotati di correzione degli errori come funzionalità standard. Quando un bit diventa 0 invece di 1 o viceversa, questo tipo di errore può essere individuato e corretto.

La sfida nell'informatica quantistica è più complessa poiché ogni bit quantico, o qubit, esiste simultaneamente in uno stato di 0 e 1. Se tenti di misurare il loro valore, i dati andranno persi. Una soluzione potenziale di lunga data è stata quella di raggruppare molti qubit fisici in un "qubit logico" (qubit controllati da algoritmi quantistici). Anche se i qubit logici sono esistiti in precedenza, non sono stati utilizzati per la correzione degli errori.

Impatto dirompente

Diversi istituti di ricerca e laboratori di intelligenza artificiale hanno studiato come creare qubit logici in grado di autocorreggersi. Ad esempio, la Duke University e il Joint Quantum Institute, con sede negli Stati Uniti, hanno creato un qubit logico che funziona come una singola unità nel 2021. Basandosi su un codice di correzione degli errori quantistici, i guasti possono essere rilevati e corretti più facilmente. Inoltre, il team ha reso il qubit tollerante ai guasti per contenere eventuali effetti negativi di tali errori. Questo risultato è stata la prima volta che un qubit logico si è dimostrato più affidabile di qualsiasi altro passaggio richiesto nella sua creazione.

Utilizzando il sistema di trappola ionica dell'Università del Maryland, il team è stato in grado di raffreddare fino a 32 singoli atomi con i laser prima di sospenderli su elettrodi su un chip. Manipolando ogni atomo con i laser, sono stati in grado di usarlo come un qubit. I ricercatori hanno dimostrato che i progetti innovativi potrebbero un giorno liberare il calcolo quantistico dal suo attuale stato di errori. I qubit logici tolleranti ai guasti possono aggirare i difetti nei qubit contemporanei e potrebbero essere la spina dorsale di computer quantistici affidabili per le applicazioni del mondo reale.

Senza computer quantistici autocorrettivi o autoriparanti, sarebbe impossibile realizzare sistemi di intelligenza artificiale (IA) accurati, trasparenti ed etici. Questi algoritmi richiedono grandi quantità di dati e potenza di calcolo per realizzare il loro potenziale, inclusa la sicurezza dei veicoli autonomi e i gemelli digitali in grado di supportare i dispositivi Internet of Things (IoT).

Implicazioni del calcolo quantistico autoriparante

Implicazioni più ampie degli investimenti nell'informatica quantistica autoriparante possono includere: 

• Sviluppare sistemi quantistici in grado di elaborare volumi più elevati di dati rilevando gli errori in tempo reale.
• Ricercatori che sviluppano sistemi quantistici autonomi in grado non solo di autoripararsi, ma anche di autotestarsi.
• Maggiori finanziamenti nella ricerca quantistica e nello sviluppo di microchip per creare computer in grado di elaborare miliardi di informazioni ma che richiedono meno energia.
• Computer quantistici in grado di supportare in modo affidabile processi più complessi, comprese reti di traffico e fabbriche completamente automatizzate.
• L'applicazione industriale completa dell'informatica quantistica in tutti i settori. Questo scenario diventerà possibile solo quando le aziende si sentiranno abbastanza sicure dell'accuratezza dei risultati del calcolo quantistico per guidare il processo decisionale o per gestire sistemi di alto valore.

Domande da considerare

• Quali sono gli altri potenziali vantaggi dei computer quantistici stabili?
• In che modo tali tecnologie potrebbero influenzare il tuo lavoro in futuro?