Decollare con Heron e Condor: Gli ultimi progressi nei computer quantistici

IBM ha appena annunciato l’ultimo progresso nella sua missione di rendere i computer quantistici commercializzati e pratici una realtà – un processore da oltre 1.000 qubit chiamato “Condor” e un processore incentrato sulla correzione degli errori chiamato “Heron”.

I computer quantistici rappresentano un nuovo approccio al calcolo basato su macchine. Attraverso l’uso di qubit capaci di sovrapposizione e intreccio, i computer quantistici hanno il potenziale di eseguire calcoli più rapidi e più complessi rispetto ai bit classici utilizzati nei computer tradizionali. A differenza del calcolo tradizionale, dove i bit rappresentano 0 o 1, i qubit nel calcolo quantistico possono rappresentare entrambi gli stati simultaneamente. È importante notare che ciò rende il calcolo quantistico complementare a quello classico anziché un suo sostituto; eccelle in compiti come simulazioni molecolari e ottimizzazioni di sistemi, mentre il calcolo classico è più adatto per le attività quotidiane.

È proprio a causa dei tipi di compiti in cui il calcolo quantistico dovrebbe eccellere che la tecnologia è così celebrata. Un computer capace di eseguire calcoli complessi di ordini di grandezza molto superiori rispetto ai suoi omologhi tradizionali vale la pena di essere sviluppato, poiché i suoi casi d’uso hanno il potenziale di cambiare il mondo e la nostra comprensione di esso.

Heron e Condor di IBM

Con il suo annuncio, IBM ha compiuto passi significativi nel campo del calcolo quantistico lanciando due processori quantistici avanzati: Heron e Condor.

Il processore Heron, presente nel sistema quantistico ibm_torino, rappresenta un salto in avanti con i suoi 133 qubit a frequenza fissa e accoppiatori sintonizzabili, offrendo un miglioramento delle prestazioni da 3 a 5 volte rispetto ai precedenti processori Eagle da 127 qubit. Questo progresso elimina praticamente il “cross‑talk” (interazione o interferenza indesiderata tra i qubit) e pone le basi per lo sviluppo futuro dell’hardware. È notevole che IBM stia già utilizzando questi chip nella sua piattaforma di calcolo “Quantum System Two” a “architettura modulare”.

D’altra parte, il processore Condor, un processore quantistico superconduttivo da 1.121 qubit, è un’innovazione altrettanto notevole. Aumenta la densità dei qubit del 50 %, incorpora miglioramenti nella fabbricazione dei qubit e integra oltre un miglio di cablaggio criogenico ad alta densità all’interno di un unico refrigeratore a diluizione (uno strumento usato per raggiungere temperature estremamente basse, tipicamente vicine allo zero assoluto). Le prestazioni di Condor sono comparabili a quelle del precedente processore Osprey da 433 qubit dell’azienda, segnando una pietra miliare significativa nella scalabilità e fornendo indicazioni per la progettazione futura dell’hardware quantistico.

Questi sviluppi di IBM sono fondamentali per spingere i confini dell’utilità quantistica e avanzare verso il supercalcolo centrato sul quantistico.

Applicazioni e limitazioni

Come accennato in precedenza, i computer quantistici sono così celebrati per il loro potenziale di avanzare notevolmente la nostra comprensione di quasi tutti i campi della scienza. Di seguito sono riportati solo alcuni esempi.

Medicina: In medicina, il calcolo quantistico potrebbe rivoluzionare la scoperta di farmaci simulando il comportamento delle molecole a livello quantistico. Ciò consentirebbe previsioni più accurate su come i potenziali farmaci interagiscono con il corpo umano, accelerando lo sviluppo di nuovi medicinali e riducendo i costi.

Meteorologia: Per la meteorologia, i computer quantistici potrebbero analizzare enormi quantità di dati meteorologici più efficientemente rispetto ai computer classici. Questo porterebbe a previsioni meteo più accurate e a una migliore comprensione dei cambiamenti climatici, contribuendo a mitigare disastri naturali e a pianificare strategie agricole.

Risoluzione di problemi complessi: Il calcolo quantistico potrebbe affrontare problemi attualmente irrisolvibili dai computer classici, come l’ottimizzazione di grandi sistemi per logistica e catene di approvvigionamento, o la risoluzione di intricati problemi matematici. Questo ha ampie implicazioni per vari settori, inclusi trasporti, energia e finanza.

È anche importante riconoscere che non possiamo conoscere ciò che non possiamo immaginare. In altre parole, ci saranno numerosi progressi inaspettati resi possibili dalle capacità che un giorno offrirà questa tecnologia.

“Il calcolo quantistico è il futuro del calcolo. Aprirà nuove possibilità per la scoperta scientifica e il progresso tecnologico che oggi non possiamo nemmeno immaginare.” – Arvind Krishna, Presidente e CEO di IBM, in un’intervista a CNBC

Con i computer quantistici che rappresentano un risultato tecnologico così monumentale, non sorprende che vi siano, e rimangano, ostacoli significativi e limitazioni da superare col tempo. Per esempio, il calcolo quantistico attualmente affronta sfide nella correzione degli errori, nella scalabilità e nello sviluppo di algoritmi pratici.

Nel tempo, emergeranno altri ostacoli, precedentemente inaspettati a causa di una comprensione ancora rudimentale ma in crescita della meccanica quantistica. La complessità e il potenziale della fisica quantistica sono stati sottolineati nella seguente citazione.

“Se pensi di capire la meccanica quantistica, non la capisci.” – Richard Feynman, premio Nobel per la fisica

Al momento, queste limitazioni significano che i computer quantistici non sono ancora pronti per un uso diffuso. Con i recenti progressi, le previsioni ottimistiche indicano un altro decennio prima che ciò accada.

Educazione: la futura forza lavoro del calcolo quantistico

Negli ultimi decenni, il calcolo quantistico sembrava un futuro così lontano che i corsi che lo insegnavano erano rari. Ora che un futuro in cui questi sistemi sono effettivamente in uso sta iniziando a prendere forma, la necessità di formare la prossima generazione di scienziati e ingegneri responsabili di continuare questo avanzamento è in costante aumento. Di conseguenza, molte università offrono ora corsi e programmi specializzati in calcolo quantistico per preparare una forza lavoro qualificata per questo campo emergente.

• The Institute for Quantum Computing at the University of Waterloo è un esempio notevole, che combina ricerca accademica con la spinta a commercializzare la tecnologia. Finanziato da Mike Lazaridis, creatore di BlackBerry , impiega circa 296 ricercatori e ha pubblicato oltre 1.500 articoli scientifici.
• University of Oxford ha una lunga storia nel calcolo quantistico, con contributi significativi al campo, incluso il primo computer quantistico NMR a stato puro funzionante.
• Harvard University’s Harvard Quantum Initiative si concentra sull’avanzamento della scienza e dell’ingegneria dei computer quantistici e delle loro applicazioni, preparandosi a quella che definisce “la seconda rivoluzione quantistica”.
• MIT’s Center for Theoretical Physics approfondisce l’informazione quantistica e il calcolo quantistico, esplorando algoritmi quantistici, teoria dell’informazione quantistica e la realizzazione sperimentale dei computer quantistici.
• National University of Singapore and Nanyang Technological University’s Centre for Quantum Technologies e University of California Berkeley’s Center for Quantum Information and Computation sono anch’essi pionieri nell’educazione al calcolo quantistico, focalizzandosi sulla ricerca e lo sviluppo di dispositivi quantistici.
• University of Maryland’s Joint Quantum Institute collabora con importanti istituzioni come NIST e LPS, conducendo ampi programmi di ricerca dedicati al controllo e allo sfruttamento dei sistemi quantistici.

Attori del settore che avanzano il calcolo quantistico

Mentre le scuole sopra citate possono formare la prossima generazione di specialisti del calcolo quantistico, le seguenti aziende stanno attualmente aprendo la strada verso questo futuro.

1.  International Business Machines Corporation

IBM Grafico dei prezzi

IBM è da tempo leader nello sviluppo di computer quantistici. L’azienda mira a democratizzare lo sviluppo del calcolo quantistico attraverso iniziative come Qiskit Patterns. IBM ha inoltre ampliato la sua roadmap per raggiungere un calcolo quantistico su larga scala e pratico, concentrandosi su nuove architetture modulari e reti che potrebbero consentire sistemi quantistici con centinaia di migliaia di qubit, essenziali per applicazioni quantistiche pratiche.

2.  Microsoft Corporation

MSFT Grafico dei prezzi

Gli sforzi di Microsoft (MSFT ) nel calcolo quantistico sono incentrati sull’integrazione cloud e sulla collaborazione. L’azienda ha introdotto macchine quantistiche con i più alti volumi quantistici del settore su Azure Quantum, includendo partnership con IonQ, Pasqal, Quantinuum, QCI e Rigetti. Questa integrazione facilita la sperimentazione ed è un passo verso il calcolo quantistico su larga scala. Microsoft sottolinea l’importanza di un ecosistema globale per realizzare il pieno potenziale del calcolo quantistico e prevede di offrire la sua macchina quantistica come servizio cloud tramite Azure, garantendo un uso sicuro e responsabile di questa tecnologia emergente.

3.  Alphabet Inc.

GOOGL Grafico dei prezzi

Alphabet (GOOG ), attraverso il suo laboratorio Google Quantum AI, ha compiuto notevoli progressi nel calcolo quantistico. Nel 2023, gli scienziati di Google hanno annunciato una pietra miliare nella riduzione del tasso di errori nel calcolo quantistico, una sfida di lunga data nel settore. La loro ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, descrive un sistema capace di diminuire significativamente il tasso di errore e di implementare codici di correzione degli errori che possono rilevare e correggere gli errori senza compromettere le informazioni. In precedenza, nel 2019, Google aveva affermato di aver raggiunto la “supremazia quantistica” con la sua macchina Sycamore, eseguendo un calcolo in 200 secondi che un supercomputer convenzionale avrebbe impiegato 10.000 anni, dimostrando il potenziale del calcolo quantistico nel risolvere problemi complessi ben oltre le capacità del calcolo tradizionale.

Conclusione

Il calcolo quantistico rappresenta un salto rivoluzionario nel mondo dell’informatica, offrendo il potenziale di rivoluzionare una moltitudine di settori. Sebbene i recenti progressi di IBM con i processori quantistici Heron e Condor segnino un significativo avanzamento verso un calcolo quantistico pratico, la tecnologia continua ad affrontare sfide importanti nella correzione degli errori, nella scalabilità e nello sviluppo di algoritmi, evidenziando la necessità di ricerca e innovazione continue.

Mentre queste sfide persistono, il calcolo quantistico promette di sbloccare possibilità che oggi non possiamo nemmeno immaginare, aprendo una nuova era di scoperta scientifica e progresso tecnologico. Il suo pieno potenziale è ancora in evoluzione, e il suo impatto su vari settori e sulla società promette di essere profondo.