COMPUTER QUANTISTICI. A cura di Lorenzo Nardean e Giacomo Cappellazzo

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1 COMPUTER QUANTISTICI A cura di Lorenzo Nardean e Giacomo Cappellazzo

2 «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.» Pubblicato: 30 aprile 2012 in Tecnologie future Secondo la legge di Moore ogni due anni la velocita dei processori raddoppia

3 BREVE STORIA DEI COMPUTER QUANTICI 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. RICHARD FEYNMAN

4 GEORDIE ROSE E IL D-WAVE 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 Gli scienziati del Max Planck Institute, istituto di ottica quantistica, riescono a creare la prima rete quantica funzionante.

5 COME FUNZIONANO

6 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.

7 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.

8 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.»

9 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.

10 GEORDIE ROSE TRANQUILLIZZA GLI SCETTICI 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

11 COME SONO FATTI

12 IL D-WAVE 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.

13 COME SI OTTIENE UN QUBIT? Metodo naturale Lo stato è determinato dallo stato fisico di: atomi molecole fotoni Metodo artificiale Utilizzando le proprietà fisiche di: superconduttori quantum dots impurità

14 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»

15 NMR (RISONANZA MAGNETICA) 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.

16 IONI INTRAPPOLATI trappola di Paul lineare Gli ioni vengono intrappolati da campi elettrici oscillanti che creano una trappola stabile chiamata sella ruotante

17 ATOMI NEUTRI IN RETICOLI OTTICI fasci laser incrociati creano un cristallo artificiale in cui gli atomi vengono intrappolati.

18 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.

19 SICUREZZA E CRITTOGRAFIA

20 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.

21 LA CRIPTANALISI QUANTISTICA E LA SICUREZZA 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.

22 IL COMPUTER CHE SPIERA IL MONDO 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.

23 FONTI LE INFORMAZIONI IN QUESTA PRESENTAZIONE SONO STATE REPERITE PRESSO Kaspersky daily

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