A cura di

Lorenzo Nardean e Giacomo Cappellazzo

COMPUTER QUANTISTICI

Pubblicato: 30 aprile 2012 in Tecnologie future

«Per trovare una determinata mail tra tute quelle spedite in un anno (circa 30,000 miliardi) un

calcolatore quantistico impiegherebbe circa 14 secondi.

Un calcolatore tradizionale circa 4 anni.»

Secondo la legge di Moore ogni due anni la velocita’ dei processori raddoppia

• Quella del computer quantistico è un’idea che risale al 1982 quando Richard Feynman espose la prima idea di computer quantico pensando alla sovrapposizione di stati delle particelle elementari.

• Nel 1998 il fisico Bruce Kane propose la costruzione di un elaboratore quantistico su atomi di fosforo disposti su uno strato di silicio di 25 nanometri.

• Nel 2001 la IBM crea un elaboratore quantistico a 7 qubit composto da una sola molecola con 7 spin nucleari.

BREVE STORIA DEI COMPUTER QUANTICI

RICHARD FEYNMAN

• Il 13 febbraio 2007 D-Wave Systems mostra pubblicamente quello che ritiene il primo computer quantistico adiabatico a 16 qubit, chiamato Orion.

• L'11 maggio 2011 la D-Wave Systems annuncia il D-Wave One, basato su 128 qubit, che risulta essere il primo computer quantistico ad essere commercializzato.

• aprile 2012 - Gli scienziati del Max Planck Institute, istituto di ottica quantistica, riescono a creare la prima rete quantica funzionante.

GEORDIE ROSE E IL D-WAVE

COME FUNZIONANO

COME FUNZIONA?

Un computer quantico è un computer creato per risolvere elaborazioni

complesse in tempi molto rapidi.

Mentre un computer classico lavora su una sequenza di bit o cifre binarie (1 o

0), accendendo o spegnendo i chip all’interno dei transistor miliardi di volte al

secondo, il computer quantico si basa sul qubit o quantum bit, un vettore che

oltre ad ammettere i due stati classici della teoria binaria può essere

contemporaneamente l’uno e l’altro (stato entangled).

Grazie a questa “ambiguità” un qubit è in grado di contenere un numero di

informazioni decisamente maggiore rispetto alla controparte tradizionale.

Elaborando più problemi contemporaneamente.

RISOLVERE PIU’ PROBLEMI CONTEMPORANEAMENTE

Se indichiamo con n il numero di qubit del processore atomico, esso potra’ svolgere 2^n problemi contemporaneamente.

Il computer D – Wave 2 funzione a 512 qubit.

PER CAPIRE MEGLIO…

Per spiegare la sovrapposizione di stato dei qubit il fisico Erwin Schrödinger usò nel 1935 questo paragone:

«Si rinchiuda un gatto in una scatola d’acciaio insieme alla seguente macchina infernale: in un contatore Geiger si trova una minuscola porzione di sostanza radioattiva, così poca che nel corso di un’ora forse uno dei suoi atomi si disintegrerà, ma anche, in modo parimenti probabile, nessuno;

se l'evento si verifica il contatore aziona un martelletto che rompe una fiala con del cianuro. Dopo avere lasciato indisturbato questo intero sistema per un’ora, si direbbe che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo si fosse disintegrato, mentre la prima disintegrazione atomica lo avrebbe avvelenato (…).

Possiamo affermare che il gatto può essere contemporaneamente sia vivo sia morto.»

I COMPUTER QUANTISTICI NON CONVINCONO TUTTI…

Lo scorso anno, Matthias Troyer, docente dell’Università ETH di Zurigo, ha

condotto uno studio per valutare le velocità del computer Quantico installato da

D-Wave presso Lockeed Martin a confronto con quella offerta da normali PC

desktop.

A parte un piccolo sottoinsieme di problemi, il computer quantico ha infatti

mostrato prestazioni paragonabili a quelle di un comune computer Intel.

Un’altra ricerca pubblicata dal professore Umesh Vazirani (Università di

Berkeley, California) giunge alla conclusione che il comportamento all’interno dei

black-box di D-Wave può essere in realtà descritto da un modello

computazionale classico e non propriamente quantico.

Ovviamente il creatore dei D-Wave

spiega che questi test sono stati

condotti su problemi di basso

livello di complessità, laddove il

computer quantico non è in grado di

fare la differenza.

L'impressione è che soltanto

l’utilizzo diffuso della tecnologia

quantistica ci dirà la validità di

questo progetto

GEORDIE ROSE TRANQUILLIZZA GLI SCETTICI

COME SONO FATTI

ll D-Wave è un computer quantistico

prodotto dalla D-Wave Systems.

Possiede un processore a 512 qubit

in filo niobio, ognuno dei quali è un

circuito superconduttore mantenuto a

temperature bassissime.

Quando la temperatura si alza,

la corrente può con uguale probabilità

girare insenso orario o antiorario.

Questa indeterminazione viene

sfruttata come unità di informazione

usata per svolgere i calcoli.

IL D-WAVE

Metodo naturale

Lo stato è determinato dallo stato

fisico di:

• atomi

• molecole

• fotoni

Metodo artificiale

Utilizzando le proprietà fisiche di:

• superconduttori

• quantum dots

• impurità

COME SI OTTIENE UN QUBIT?

ARCHITETTURA DI UN SUPERCOMPUTER

Gli scienziati sono alla ricerca di quella che potrebbe essere l’architettura

migliore per un computer quantistico. Le varie alternative per il momento sono:

• NMR (risonanza magnetica): spin nucleari in una molecola

• Ioni intrappolati: stato interno dell'ione

• Reticoli ottici: stato interno di atomi dentro un potenziale periodico

• Fotoni

• Stato solido

• Superconduttori

Per approfondimenti consultare la presentazione «Il computer quantistico: concetti di base ed ultimi sviluppi – di Oliver Morsch»

Con la tecnica NMR, si può estrarre

l'architettura di una molecola.

Conoscendo l'architettura della

molecola, si può agire in maniera

controllata sui suoi spin agendo sugli

spin e sfruttando le loro interazioni.

Facendo interagire un atomo con un

campo elettromagnetico lo spin

cambia direzione per una frequenza

ben definita del campo

elettromagnetico.

NMR (RISONANZA MAGNETICA)

trappola di Paul lineare

Gli ioni vengono intrappolati da

campi elettrici oscillanti che creano

una trappola stabile chiamata “sella

ruotante”

IONI INTRAPPOLATI

ATOMI NEUTRI IN RETICOLI OTTICI fasci laser incrociati creano un “cristallo artificiale” in cui gli atomi vengono

intrappolati.

SOFTWARE PER CALCOLI QUANTISTICI

Quipper è il primo linguaggio di programmazione per l’informatica quantistica.

Purtroppo non può essere ancora supportato da nessun dispositivo, benché abbia

tutte le caratteristiche necessarie per adattarsi alla computazione quantistica.

Quipper è progettato a scatola cinese, in modo da impartire istruzioni riunendo più

algoritmi in modo modulare. Il team di ricercatori coordinato da Peter Selinger ha

personalizzato il precedente linguaggio Haskell (su cui si basa Quipper)

costruendo una libreria che consente a Quipper di effettuare ben sette algoritmi

quantistici, compreso uno in grado di stimare l’energia dello stato fondamentale

delle molecole.

SICUREZZA E CRITTOGRAFIA

A CHI PUO’ SERVIRE UN COMPUTER QUANTISTICO?

Essendo utile per risolvere alcune particolari categorie di elaborazioni

complesse come i cosiddetti “problemi di ottimizzazione” i primi veri clienti di

D-Wave sono Nasa, Google e Lockeed Martin: realtà che ogni giorno si

ritrovano a confrontarsi con problemi di questo tipo.

Google per esempio, starebbe testando un modello quantico per affinare un

sistema di riconoscimento che permetta ai Google Glass di comprendere

quando chi li indossa strizza l’occhio di proposito per scattare una foto in

automatico.

Nel 1994 il matematico Peter Shor avrebbe

sviluppato un algoritmo basato sulla

criptanalisi quantistica che metterebbe a serio

rischio la sicurezza dei dati digitali se i computer

quantistico fossero in grado di risolverlo.

L’algoritmo riuscirebbe a ridurre in fattori primi

numeri con moltissime cifre: principio che sta

alla base della crittografia e quindi della

sicurezza informatica.

Questo procedimento è praticamente

impossibile con i computer tradizionali in quanto

richiederebbe tempo infinito, mentre sarebbe

attuabile avendo a disposizione computer

quantistici.

LA CRIPTANALISI QUANTISTICA E LA SICUREZZA

La National Security Agency (NSA)

starebbe lavorando a un computer quantico.

Lo riporta il Washington Post che ha

pubblicato alcuni documenti di Edward

Snowden.

Secondo il report del Post, la NSA avrebbe

investito quasi 80 milioni di dollari in un

progetto di ricerca volto a costruire una

macchina quantica “utile a livello

crittografico”, in grado cioè di interpretare e

aprire i lucchetti digitali che proteggono dati

e informazioni sensibili di privati e aziende in

tutto il mondo.

IL COMPUTER CHE SPIERA’ IL MONDO

FONTI LE INFORMAZIONI IN QUESTA PRESENTAZIONE SONO STATE REPERITE PRESSO

Kaspersky daily

A cura di

Lorenzo Nardean e Giacomo Cappellazzo

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