Che cos'è il calcolo quantistico?

Il calcolo quantistico promette di risolvere alcune delle sfide più grandi del nostro pianeta, nelle aree dell'ambiente, dell'agricoltura, della salute, dell'energia, del clima, della scienza dei materiali e altro ancora. Per alcuni di questi problemi, l'elaborazione classica è sempre più difficile con l'aumentare delle dimensioni del sistema. Se progettato per la scalabilità, i sistemi quantistici avranno probabilmente funzionalità che superano quelle dei supercomputer più potenti di oggi.

Questo articolo illustra i principi del calcolo quantistico, il confronto con il calcolo classico e il modo in cui usa i principi della meccanica quantistica.

Suggerimento

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Perché usare i computer quantistici?

L'idea di un computer quantistico è nata dalla difficoltà di simulare i sistemi quantistici in un computer classico. Negli anni '80, Richard Feynman e Yuri Manin suggeriscono indipendentemente che l'hardware basato su fenomeni quantistici potrebbe essere più efficiente per la simulazione di sistemi quantistici rispetto ai computer convenzionali.

Esistono molti modi per descrivere i motivi per i quali la meccanica quantistica è difficile da simulare. Il più semplice consiste nel vedere che òa materia, a livello quantistico, si trova in una moltitudine di configurazioni possibili (note come stati).

Il calcolo quantistico cresce in modo esponenziale

Si consideri un sistema di elettroni in cui ci sono $40$ posizioni possibili. Il sistema potrebbe quindi trovarsi in una qualsiasi delle configurazioni di $2^{40}$ (poiché ogni posizione può avere o meno un elettrone). Per archiviare lo stato quantistico degli elettroni in una memoria computer convenzionale sarebbe necessario oltre $130$ GB di memoria! Se le particelle fossero in una qualsiasi delle $41$ posizioni, ci sarebbero due volte più configurazioni a $2^{41}$ che a sua volta richiederebbero più di $260$ GB di memoria per archiviare lo stato quantistico.

Questo gioco di aumentare il numero di posizioni non può essere giocato a tempo indeterminato. Se si vuole archiviare lo stato in modo convenzionale, si supererebbero rapidamente le capacità di memoria delle macchine più potenti del mondo. Per poche centinaia di elettroni la memoria necessaria per archiviare il sistema supera il numero di particelle nell'universo. Non c'è quindi speranza che i computer convenzionali riescano mai a simulare la propria dinamica quantistica.

Trasformare la difficoltà in opportunità

L'osservazione di questa crescita esponenziale ci ha portato a porci una domanda potente: possiamo trasformare questa difficoltà in un'opportunità? In particolare, se la dinamica quantistica è difficile da simulare, cosa accadrebbe se dovessimo creare hardware con effetti quantistici come operazioni fondamentali? È possibile simulare dei sistemi quantistici di interazione delle particelle usando una macchina che sfrutta esattamente le stesse leggi della fisica? E potremmo usare quelle macchine per analizzare altre attività assenti dalle particelle quantistiche, ma sono cruciali per noi? Queste domande hanno portato alla genesi del calcolo quantistico.

Nel 1985, David Deutsch ha dimostrato che un computer quantistico potrebbe simulare in modo efficiente il comportamento di qualsiasi sistema fisico. Questa individuazione è stata la prima indicazione che i computer quantistici potrebbero essere usati per risolvere i problemi intrattabili nei computer classici.

Nel 1994 Peter Shor scoprì un algoritmo quantistico per il factoring di interi che viene eseguito in modo esponenziale rispetto all'algoritmo classico più noto. La risoluzione della fattorizzazione rende possibile l’interruzione di molti dei nostri sistemi di crittografia a chiave pubblica alla base della sicurezza dell'e-commerce odierno, tra cui RSA e la crittografia a curva ellittica. Questa scoperta ha suscitato un grande interesse per il calcolo quantistico e ha portato allo sviluppo di algoritmi quantistici per molti altri problemi.

Da quel momento sono stati sviluppati algoritmi quantistici veloci ed efficienti per molte delle nostre attività classiche difficili: simulazione di sistemi fisici in chimica, fisica e scienza dei materiali, ricerca in un database non ordinato, risoluzione di sistemi di equazioni lineari e Machine Learning.

Che cos'è un qubit?

Proprio come i bit sono l'oggetto fondamentale delle informazioni nel calcolo classico, i qubit (bit quantistici) sono l'oggetto fondamentale delle informazioni nel calcolo quantistico.

Un qubit è un'unità di base delle informazioni nel calcolo quantistico. I qubit svolgono nel calcolo quantistico un ruolo simile a quello dei bit nel calcolo classico, ma si comportano in modo molto diverso. I bit classici sono binari e possono contenere solo una posizione pari $a 0$ o $1$, ma i qubit possono contenere una sovrapposizione di tutti gli stati possibili. Ciò significa che un qubit può trovarsi in uno stato pari $a 0$, $1$ o qualsiasi sovrapposizione quantistica dei due. Esistono infinite sovrapposizioni di $0$ e $1$ e ognuna di esse è uno stato qubit valido.

Nel calcolo quantistico, le informazioni vengono codificate nella sovrapposizione degli stati $0$ e $1$. Ad esempio, con $8$ bit, è possibile codificare $256$ valori diversi, ma è necessario sceglierne uno per codificarlo. Con $8$ qubit, è possibile codificare contemporaneamente i $256$ valori. Questo comportamento è dovuto al fatto che un qubit può trovarsi in una sovrapposizione di tutti gli stati possibili.

Per altre informazioni, vedere Qubit nel calcolo quantistico.

Come creare un computer quantistico

Un computer quantistico è un computer che sfrutta i fenomeni meccanici quantistici. I computer quantistici usano gli stati quantistici della materia per archiviare e calcolare le informazioni. &Possono citare; program" l'interferenza quantistica per eseguire operazioni più veloci o migliori rispetto ai computer classici.

Quando si crea un computer quantistico, è necessario considerare come creare i qubit e come archiviarli. È anche necessario pensare a come manipolarli e come leggere i risultati dei calcoli.

Le tecnologie qubit più usate sono qubit a ioni intrappolati, qubit superconduttori e qubit topologici. Per alcuni metodi di archiviazione di qubit, l'unità che ospita i qubit viene mantenuta a una temperatura vicina allo zero assoluto per massimizzare la coerenza e ridurre l'interferenza. Altri tipi di alloggiamento dei qubit usano una camera sottovuoto per ridurre al minimo le vibrazioni e stabilizzare i qubit. I segnali possono essere inviati ai qubit usando diversi metodi, tra cui microonde, laser e tensione.

I cinque criteri per un computer quantistico

Un computer quantistico valido deve avere queste cinque funzionalità:

1. Scalabile: Può avere molti qubit.
2. Inizializzabile: può impostare i qubit su uno stato specifico (in genere lo $stato 0$ ).
3. Resiliente: Può mantenere i qubit nello stato di sovrapposizione per molto tempo.
4. Universale: Un computer quantistico non deve eseguire tutte le operazioni possibili, ma solo un set di operazioni denominato set universale. Un set di operazioni quantistico universali è tale che qualsiasi altra operazione può essere scomposta in una sequenza di tali operazioni.
5. Affidabile: Può misurare accuratamente i qubit.

Questi cinque criteri sono spesso noti come criteri di Di Vincenzo per il calcolo quantistico.

La creazione di dispositivi in grado di soddisfare questi cinque criteri è una delle sfide tecniche più complesse mai affrontate dal genere umano. Microsoft collabora con alcuni dei migliori produttori di computer quantistici nel mondo per consentire l'accesso alle soluzioni di calcolo quantistico più innovative tramite Azure Quantum. Per altre informazioni, vedere l'elenco completo dei provider di Azure Quantum.

Per cosa è possibile usare il calcolo quantistico e Azure Quantum?

Un computer quantistico non è un super computer in grado di fare tutto più rapidamente. In effetti, uno degli obiettivi della ricerca di calcolo quantistico è studiare quali problemi possono essere risolti da un computer quantistico più veloce rispetto a un computer classico e quanto può essere grande la velocità.

I computer quantistici funzionano in modo eccezionale con problemi che richiedono il calcolo di un numero elevato di possibili combinazioni. Questi tipi di problemi sono disponibili in molte aree, ad esempio simulazione quantistica, crittografia, machine learning quantistico e problemi di ricerca.

Per le informazioni più recenti sulla ricerca sul calcolo quantistico di Microsoft, vedere la pagina Microsoft Research Quantum Computing .

Stima delle risorse

I computer quantistici attualmente disponibili stanno abilitando interessanti esperimenti e ricerche, ma non sono in grado di accelerare i calcoli necessari per risolvere i problemi reali. Mentre il settore attende progressi hardware, gli innovatori del software quantistico sono desiderosi di fare progressi e prepararsi per un futuro quantistico. La creazione di algoritmi che alla fine verranno eseguiti nei computer quantistici a tolleranza di errore di domani è un'attività scoraggiante. Questi innovatori si trovano di fronte a domande quali quali sono le risorse hardware necessarie? "Quanti qubit fisici e logici sono necessari e di quale tipo?" "Quanto è lungo il tempo di esecuzione?"

È possibile usare Azure Quantum Resource Estimator per rispondere a queste domande. Di conseguenza, sarà possibile perfezionare gli algoritmi e creare soluzioni che sfruttano i computer quantistici ridimensionati quando diventano disponibili.

Per iniziare, vedere Eseguire la prima stima delle risorse.

Simulazione quantistica

La meccanica quantistica è la virgolette sottostante &; virgolette del sistema&operativo, del nostro universo. Descrive come si comportano i componenti fondamentali della natura. I comportamenti della natura, come le reazioni chimiche e biologiche o le formazioni di materiali, coinvolgono spesso interazioni quantistiche tra molti corpi. Per simulare sistemi meccanici quantistici intrinsecamente, ad esempio molecole, il calcolo quantistico è promettente, perché i qubit (bit quantistici ) possono essere usati per rappresentare gli stati naturali in questione. Gli esempi di sistemi quantistici che possono essere modellati includono la fotosintesi, la superconduttività e le formazioni molecolari complesse.

Azure Quantum Elements è progettato per accelerare l'individuazione scientifica. Reinventare la produttività di ricerca e sviluppo con flussi di lavoro di simulazione ottimizzati per il ridimensionamento in cluster HPC (High Performance Computing) di Azure, calcolo accelerato con intelligenza artificiale, ragionamento aumentato, integrazione con strumenti quantistici per iniziare a sperimentare l'hardware quantistico esistente e l'accesso in futuro al supercomputer quantistico di Microsoft. Per altre informazioni, vedere Sblocco della potenza di Azure per Dynamics molecolare.

Accelerazione dei processi di calcolo quantistico

Uno degli obiettivi della ricerca nel campo della quantistica è quello di studiare quali problemi possono essere risolti più velocemente da un computer quantistico rispetto a un computer classico e quale può essere il grado di accelerazione. Due esempi noti sono l'algoritmo di Grover e l'algoritmo di Shor, che producono rispettivamente un polinomiale e una velocità esponenziale rispetto alle controparti classiche.

L'algoritmo di Shor in esecuzione su un computer quantistico potrebbe interrompere schemi crittografici classici, ad esempio lo schema Rivest–Shamir-Adleman (RSA), ampiamente usato nell'e-commerce per la trasmissione sicura dei dati. Questo schema si basa sulla difficoltà pratica di scomporre i numeri primi usando algoritmi classici. La crittografia quantistica promette di garantire la sicurezza delle informazioni sfruttando la fisica di base anziché i presupposti di complessità.

L'algoritmo di Grover accelera la soluzione alle ricerche di dati non strutturate, eseguendo la ricerca in meno passaggi rispetto a qualsiasi algoritmo classico. In effetti, qualsiasi problema che consente di verificare se un determinato valore $x$ è una soluzione valida (una &virgolette; Sì o no problem") può essere formulata in termini di problema di ricerca. Di seguito vengono riportati alcuni esempi:

• Problema di soddisfazione booleano: il set di valori $booleani x$ un'interpretazione (assegnazione di valori alle variabili) che soddisfa la formula booleana specificata?
• Problema del venditore in viaggio: $x$ descrive il ciclo più breve possibile che connette tutte le città?
• Problema di ricerca del database: la tabella di database contiene un record $x$?
• Problema di fattorizzazione integer: il numero $fisso N$ è divisibile per il numero $x$?

Per un esame più approfondito dell'algoritmo di Grover, vedere l'esercitazione Implementare l'algoritmo di Grover in Q#.

In che modo il calcolo quantistico risolve i problemi?

I computer quantistici sono dispositivi meccanici quantistici controllabili che sfruttano le proprietà della fisica quantistica per eseguire calcoli. Per alcune attività di calcolo, il calcolo quantistico aumenta la velocità in modo esponenziale grazie a tre fenomeni della meccanica quantistica: sovrapposizione , interferenza ed entanglement.

Sovrapposizione

Si supponga di svolgere attività fisica nel proprio soggiorno. Ci si volta completamente a sinistra e quindi completamente a destra. Provare quindi a voltarsi a sinistra e a destra contemporaneamente. Non è possibile farlo, o almeno, non senza dividersi a metà. Ovviamente, non è possibile trovarsi contemporaneamente in entrambi questi stati. Non si può essere rivolti verso sinistra e verso destra allo stesso tempo.

Tuttavia, se si è una particella quantistica, è possibile avere una certa probabilità di essere rivolti verso sinistra E una certa probabilità di essere rivolti verso destra a causa di un fenomeno noto come sovrapposizione (denominato anche coerenza).

A differenza delle particelle classiche, se due stati A e B sono stati quantistici validi di una particella quantistica, qualsiasi combinazione lineare degli stati è anche uno stato quantistico valido: $\text{stato}=\alpha qubit A + \beta B$.$$$$ Questa combinazione lineare degli stati quantistici $A$ e $B$ è detta sovrapposizione. $\alpha$ Qui, e $\beta$ sono le ampiezze di probabilità di $A$ e $B$, rispettivamente, in modo che $|\alpha|^{2}{ + |\beta|^{2}= 1$.

Solo i sistemi quantistici come quelli a ioni o circuiti superconduttori possono trovarsi negli stati di sovrapposizione che consentono di sfruttare la potenza del calcolo quantistico. Una particella quantistica, ad esempio un elettrone, ha la propria proprietà "rivolta verso sinistra o rivolta verso destra", ovvero spin, denominata su o giù, quindi lo stato quantistico di un elettrone è una sovrapposizione di &virgolette; spin up" and " spin down".

In generale, per renderlo più paragonabile al calcolo binario classico, se un sistema quantistico può trovarsi in due stati quantistici, questi stati sono denominati stato 0 e 1 stato.

Qubit e probabilità

I computer classici archiviano ed elaborano le informazioni in bit, che possono avere uno stato di 1 o 0, ma mai entrambi. L'equivalente nel calcolo quantistico è il qubit. Un qubit è qualsiasi sistema quantistico che può trovarsi in una sovrapposizione di due stati quantistici, 0 e 1. A ogni stato quantico possibile è associata un'ampiezza di probabilità. Solo dopo aver misurato un qubit, il suo stato viene compresso nello stato 0 o 1, a seconda della probabilità associata; pertanto, uno degli stati possibili viene ottenuto con una certa probabilità.

La probabilità del qubit di collassare in un modo o nell'altro è determinata dall'interferenza quantistica. L'interferenza quantistica influisce sullo stato di un qubit per influenzare la probabilità di un determinato risultato durante la misura e questo stato probabilistico è il punto di eccellenza della potenza del calcolo quantistico.

Ad esempio, per due bit in un computer classico, ogni bit può archiviare un valore di 1 o 0 e vengono così archiviati insieme quattro valori possibili: 00, 01, 10e 11, ma solo uno di questi alla volta. Con due qubit in sovrapposizione, tuttavia, ogni qubit può essere 1 o 0 o entrambi, quindi è possibile rappresentare contemporaneamente gli stessi quattro valori. Con tre qubit è possibile rappresentare otto valori, con quattro qubit è possibile rappresentare 16 valori e così via.

Per altre informazioni, vedere Qubit nel calcolo quantistico.

Entanglement

Uno dei fenomeni più interessanti della meccanica quantistica è la capacità di due o più sistemi quantistici di diventare correlate tramite entanglement. L'entanglement è una correlazione quantistica tra sistemi quantistici. Quando i qubit diventano correlati tramite entanglement, formano un sistema globale, in modo che lo stato quantistico dei singoli sottosistemi non possa essere descritto in modo indipendente. Due sistemi sono intangibili quando lo stato del sistema globale non può essere scritto come combinazione dello stato dei sottosistemi, in particolare, due sistemi sono intangibili quando lo stato del sistema globale non può essere scritto come prodotto tensore degli stati dei sottosistemi. Uno stato del prodotto non contiene correlazioni.

I sistemi quantistici entangled mantengono questa correlazione anche se separati su distanze elevate. Ciò significa che qualsiasi operazione o processo applicato a un sottosistema è correlato anche agli altri sottosistemi. Poiché esiste una correlazione tra i qubit con entanglement, la misura dello stato di un qubit fornisce informazioni sullo stato degli altri qubit. Questa proprietà specifica è molto utile nel calcolo quantistico.

Nota

Non tutte le correlazioni tra le misure di due qubit implicano che due qubit siano entangled. Oltre alle correlazioni quantistiche, esistono anche correlazioni classiche. La differenza tra correlazioni classiche e quantistiche è sottile, ma è essenziale per la velocità fornita dai computer quantistici. Per altre informazioni, vedere Informazioni sulle correlazioni classiche.

Per altre informazioni, vedere l'esercitazione Esplorazione dell'entanglement quantistico con Q#.