Corsa quantistica

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Come i computer quantistici cambieranno il mondo: Future of Computers P7

David Tal, editore, futurista
@DavidTalWrites
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Mon, 09 / 14 / 2020 - 05: 14

C'è molto clamore nell'industria dei computer in generale, clamore incentrato su una tecnologia specifica che ha il potenziale per cambiare tutto: i computer quantistici. Essendo l'omonimo della nostra azienda, ammetteremo un pregiudizio nella nostra tendenza al rialzo nei confronti di questa tecnologia e, nel corso di questo capitolo finale della nostra serie Future of Computers, speriamo di condividere con voi il motivo per cui è così.

A livello di base, un computer quantistico offre l'opportunità di manipolare le informazioni in un modo fondamentalmente diverso. Infatti, una volta che questa tecnologia sarà matura, questi computer non solo risolveranno problemi matematici più velocemente di qualsiasi computer attualmente esistente, ma anche qualsiasi computer previsto nei prossimi decenni (supponendo che la legge di Moore sia vera). In effetti, simile alla nostra discussione in giro supercomputer nel nostro ultimo capitolo, i futuri computer quantistici consentiranno all'umanità di affrontare questioni sempre più grandi che possono aiutarci a ottenere una comprensione più profonda del mondo che ci circonda.

Cosa sono i computer quantistici?

Hype a parte, in che modo i computer quantistici sono diversi dai computer standard? E come funzionano?

Per gli studenti visivi, consigliamo di guardare questo breve video divertente del team YouTube di Kurzgesagt su questo argomento:

Nel frattempo, per i nostri lettori, faremo del nostro meglio per spiegare i computer quantistici senza la necessità di una laurea in fisica.

Per cominciare, dobbiamo ricordare che l'unità di base del processo informatico è un po'. Questi bit possono avere uno di due valori: 1 o 0, acceso o spento, sì o no. Se combini un numero sufficiente di questi bit insieme, puoi rappresentare numeri di qualsiasi dimensione ed eseguire tutti i tipi di calcoli su di essi, uno dopo l'altro. Più grande o più potente è il chip del computer, più grandi sono i numeri che puoi creare e applicare calcoli e più velocemente puoi passare da un calcolo all'altro.

I computer quantistici sono diversi in due modi importanti.

In primo luogo, è il vantaggio della "sovrapposizione". Mentre i computer tradizionali funzionano con i bit, i computer quantistici funzionano con i qubit. L'effetto di sovrapposizione consentito dai qubit è che invece di essere vincolato a uno dei due valori possibili (1 o 0), un qubit può esistere come una combinazione di entrambi. Questa funzione consente ai computer quantistici di funzionare in modo più efficiente (più veloce) rispetto ai computer tradizionali.

In secondo luogo, è il vantaggio dell'"entanglement". Questo fenomeno è un comportamento della fisica quantistica unico che lega il destino di una quantità di particelle diverse, in modo che ciò che accade a una influisca sulle altre. Se applicato ai computer quantistici, ciò significa che possono manipolare tutti i loro qubit contemporaneamente, in altre parole, invece di eseguire una serie di calcoli uno dopo l'altro, un computer quantistico potrebbe eseguirli tutti contemporaneamente.

La corsa per costruire il primo computer quantistico

Questo titolo è in qualche modo un termine improprio. Aziende leader come Microsoft, IBM e Google hanno già creato i primi computer quantistici sperimentali, ma questi primi prototipi presentano meno di due dozzine di qubit per chip. E mentre questi primi sforzi sono un ottimo primo passo, le aziende tecnologiche e i dipartimenti di ricerca governativi dovranno costruire un computer quantistico con almeno 49-50 qubit affinché l'hype soddisfi il suo potenziale teorizzato nel mondo reale.

A tal fine, ci sono una serie di approcci in fase di sperimentazione per raggiungere questo traguardo di 50 qubit, ma due sono al di sopra di tutti.

In un campo, Google e IBM mirano a sviluppare un computer quantistico rappresentando i qubit come correnti che fluiscono attraverso fili superconduttori che vengono raffreddati a –273.15 gradi Celsius, o zero assoluto. La presenza o l'assenza di corrente sta per 1 o 0. Il vantaggio di questo approccio è che questi fili o circuiti superconduttori possono essere costruiti in silicio, un materiale con cui le aziende di semiconduttori hanno decenni di esperienza di lavoro.

Il secondo approccio, guidato da Microsoft, prevede ioni intrappolati tenuti in posizione in una camera a vuoto e manipolati da laser. Le cariche oscillanti funzionano come qubit, che vengono poi utilizzati per elaborare le operazioni del computer quantistico.

Come useremo i computer quantistici

Ok, mettendo da parte la teoria, concentriamoci sulle applicazioni del mondo reale che questi computer quantistici avranno nel mondo e su come le aziende e le persone interagiscono con esso.

Problemi logistici e di ottimizzazione. Tra gli usi più immediati e redditizi dei computer quantistici ci sarà l'ottimizzazione. Per le app di condivisione del viaggio, come Uber, qual è il percorso più veloce per prelevare e lasciare il maggior numero possibile di clienti? Per i giganti dell'e-commerce, come Amazon, qual è il modo più conveniente per consegnare miliardi di pacchi durante la corsa all'acquisto di regali di Natale?

Queste semplici domande implicano l'elaborazione di numeri da centinaia a migliaia di variabili contemporaneamente, un'impresa che i moderni supercomputer non riescono a gestire; quindi, invece, calcolano una piccola percentuale di tali variabili per aiutare queste aziende a gestire le proprie esigenze logistiche in un modo non ottimale. Ma con un computer quantistico, taglierà una montagna di variabili senza sudare.

Meteo e clima modellazione. Simile al punto sopra, il motivo per cui il canale meteorologico a volte sbaglia è perché ci sono troppe variabili ambientali che i loro supercomputer possono elaborare (questo e talvolta la raccolta di dati meteorologici scadenti). Ma con un computer quantistico, gli scienziati meteorologici non solo possono prevedere perfettamente i modelli meteorologici a breve termine, ma possono anche creare valutazioni climatiche più accurate a lungo termine per prevedere gli effetti del cambiamento climatico.

Medicina personalizzata. Decodificare il tuo DNA e il tuo microbioma unico è fondamentale affinché i futuri medici prescrivano farmaci perfettamente adattati al tuo corpo. Mentre i supercomputer tradizionali hanno fatto passi da gigante nella decodifica del DNA in modo conveniente, il microbioma è ben al di là della loro portata, ma non così per i futuri computer quantistici.

I computer quantistici consentiranno inoltre a Big Pharma di prevedere meglio come le diverse molecole reagiscono con i loro farmaci, accelerando così significativamente lo sviluppo farmaceutico e abbassando i prezzi.

Esplorazione dello spazio. I telescopi spaziali di oggi (e di domani) raccolgono ogni giorno enormi quantità di dati di immagini astrologiche che tracciano i movimenti di trilioni di galassie, stelle, pianeti e asteroidi. Purtroppo, questi sono troppi dati per i supercomputer di oggi da setacciare per fare scoperte significative su base regolare. Ma con un computer quantistico maturo combinato con l'apprendimento automatico, tutti questi dati possono finalmente essere elaborati in modo efficiente, aprendo la porta alla scoperta di centinaia o migliaia di nuovi pianeti ogni giorno entro l'inizio degli anni '2030.

Scienze fondamentali. Simile ai punti precedenti, la potenza di calcolo grezza consentita da questi computer quantistici consentirà a scienziati e ingegneri di escogitare nuove sostanze chimiche e materiali, nonché motori più funzionanti e, naturalmente, giocattoli natalizi più freschi.

apprendimento automatico. Utilizzando i computer tradizionali, gli algoritmi di apprendimento automatico necessitano di una quantità enorme di esempi curati ed etichettati (big data) per apprendere nuove competenze. Con l'informatica quantistica, i software di apprendimento automatico possono iniziare a imparare di più come gli esseri umani, per cui possono acquisire nuove abilità utilizzando meno dati, dati più disordinati, spesso con poche istruzioni.

Questa applicazione è anche un argomento di entusiasmo tra i ricercatori nel campo dell'intelligenza artificiale (AI), poiché questa migliore capacità di apprendimento naturale potrebbe accelerare di decenni i progressi nella ricerca sull'intelligenza artificiale. Maggiori informazioni su questo nella nostra serie Future of Artificial Intelligence.

crittografia. Purtroppo, questa è l'applicazione che innervosisce la maggior parte dei ricercatori e delle agenzie di intelligence. Tutti gli attuali servizi di crittografia dipendono dalla creazione di password che richiederebbero migliaia di anni per decifrare un moderno supercomputer; i computer quantistici potrebbero teoricamente strappare queste chiavi di crittografia in meno di un'ora.

Banche, comunicazioni, servizi di sicurezza nazionale, Internet stessa dipende da una crittografia affidabile per funzionare. (Oh, e dimentica anche il bitcoin, data la sua dipendenza fondamentale dalla crittografia.) Se questi computer quantistici funzionano come pubblicizzato, tutte queste industrie saranno a rischio, nel peggiore dei casi mettendo in pericolo l'intera economia mondiale finché non costruiremo la crittografia quantistica per mantenere ritmo.

Traduzione in lingua in tempo reale. Per concludere questo capitolo e questa serie con una nota meno stressante, i computer quantistici consentiranno anche una traduzione linguistica quasi perfetta e in tempo reale tra due lingue qualsiasi, tramite una chat Skype o tramite l'uso di un dispositivo audio indossabile o impiantato nell'orecchio .

Tra 20 anni, la lingua non sarà più un ostacolo al lavoro e alle interazioni quotidiane. Ad esempio, una persona che parla solo inglese può entrare con maggiore sicurezza in rapporti d'affari con partner in paesi stranieri in cui i marchi inglesi non sarebbero altrimenti riusciti a penetrare, e quando visita detti paesi stranieri, questa persona potrebbe persino innamorarsi di un certo qualcuno che capita solo di parlare cantonese.