Computer quantistici

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1 Computer quantistici Un Computer quantistico utilizza i fenomeni tipici della Fisica quantistica come la sovrapposizione degli effetti e l Entanglement. Al posto dei convenzionali bit, unità di informazione binaria indicate con 0 ed 1, si usano i qubit codificati dallo stato quantico di una particella o di un atomo. Lo spin di una particella ha due possibili orientamenti su o giù che corrispondono ai valori + ½ e - ½ e quindi possono codificare informazioni binarie. Potenzialmente le particelle subatomiche hanno possibilità interessanti poiché possono presentarsi anche in una sovrapposizione di stati quantistici ampliando le combinazioni binarie. Però la manipolazione controllata di atomi e particelle, la loro reciproca comunicazione e la stesura di algoritmi adatti allo scopo non sono obiettivi facili nel calcolo quantistico. Vi sono nuove branche della Scienza che possono convergere su questi temi : Nanotecnologie, elettronica molecolare, fisica delle particelle, spintronica, logica quantistica. Il primo ricercatore ad ipotizzare un Computer quantistico è stato, nel 1982, il Fisico statunitense Feynman ( ), premio Nobel per la Fisica nel 1965 per avere elaborato l Elettrodinamica quantistica, in particolare un metodo per calcolare la probabilità di transizione di uno stato quantistico. (1) Richard Feynman Nel 1985 David Deutsch, Fisico israeliano nato ad Haifa nel 1953, ne dimostrò la validità. Deutsch è Docente presso il Centro di computazione quantistica nell Università di Oxford. E considerato un pioniere dei Computer quantistici avendo formulato una descrizione della macchina di Turing (compuder ideale) quantistica. Ha ricevuto il premio Dirac nel 1998 ed il premio Edge of Computation nel Nel 1995 il Fisico informatico statunitense Peter Shor ( New York 1959) ha inventato l Algoritmo di fattorizzazione quantistico nella risoluzione della riduzione dei numeri interi in numeri primi. Shor è Docente di Matematica applicata al MIT di Boston, ha conseguito il Premio Nevanlinna nel 1994, il Premio Godel nel 1999 e la MacArthur Fellowship. Nel 1998 il Fisico Bruce Kane propose la costruzione reale di un calcolatore quantistico che utilizzava atomi di Fosforo su un sottilissimo strato di Silicio spesso appena 25 nanometri (vedi figura) 1

2 Bruce Kane Computer di Kane - Nel 2001 la IBM realizza un elaboratore quantistico a 7 qubit composto da una sola molecola con 7 spin nucleari. - Nel Gennaio 2005 Fisici dell Università dell Arizona riescono a misurare le variazioni subite dalla lunghezza d onda di un atomo a contatto con una superficie. - Nel Febbraio 2005 viene realizzata la Correlazione quantistica ( Entanglement quantistico) tra atomi artificiali. - Nel Dicembre 2005 gli scienziati dell Istituto di ottica quantistica dell Università di Innsbruck realizzano il primo qubyte ( 8 qubit ). - Nel 2006 Ricercatori dell Università di Harvard e del Georgia Institute of Technology riescono a trasferire informazione quantistica tra memorie quantiche, da atomi a fotoni e viceversa. - Nel 2006 Peter Zoller dell Università di Innsbruck scopre un metodo per usare molecole polari criogeniche per rendere stabili le memorie quantistiche. - Il 13 Febbraio 2007 la Compagnia canadese D-Wave System mostra in pubblico quello che ritiene il primo Computer quantistico a 16 qubit, chiamato Orion. - Nell Aprile 2008 Ricercatori dell Università dell Utah dimostrano la possibilità di creare una porta logica quantistica con l uso di una fibra ottica. - Nel 2009 viene realizzato dal National Institute of Standards and Technology il primo processore quantistico a 2 qubit - Nel 2011 la D-Wave System annuncia il primo Computer quantistico commercializzato, D-Wave One, basato su 128 qubit. - Nell Aprile 2012 gli Scienziati del Max Planck Institute, Dipartimento di Ottica quantistica, riescono a creare la prima rete quantica funzionante. - Nel Maggio 2013 Google e NASA presentano il D-Wave Two, Computer quantistico a 512 qubit, nel Quantum Intelligence Lab. in California. 2

3 (1) Richard Feynman nacque l 11 Maggio 1918 a Manhattan da una famiglia ebraica di origini russe. Il padre era un venditore di uniformi, stimolò sempre fin dalla giovinezza di Richard, la curiosità verso il sapere proponendogli letture di carattere scientifico, indicandogli i limiti della Scienza. Feynman studiò a fondo sull Enciclopedia Britannica e durante gli anni del Liceo Scientifico era già capace di dimostrare padronanza assoluta delle basi di Matematica proponendo personali e nuovi sviluppi di particolari strumenti applicativi dedicati al Calcolo differenziale ed alle Funzioni trigonometriche. I Diagrammi di Feynman e gli Integrali di Feynman sono passati alla Storia ed hanno costituito, per Feynman, la balestra in un mondo in cui tutti erano armati di arco e frecce. Richard Feynman aveva molteplici interessi nel campo della Scienza, in particolare Chimica, Fisica, Biologia, Elettronica. Conseguì la Laurea ed il Dottorato (Ph.D) in Fisica al MIT, Massachussets Institute of Technology, di Princeton dove insegnava Albert Einstein. Partecipò al Progetto Manhattan per lo sviluppo della Bomba atomica. Dopo la guerra mondiale ottiene la Cattedra di Fisica alla Cornell University e ricomincia a studiare su un metodo per calcolare le probabilità di transizione da uno stato quantistico ad un altro, sviluppando un nuovo formalismo per la Fisica quantistica che lo condusse a formulare l Elettrodinamica quantistica(2), che gli valse il Nobel per la Fisica nel Un diagramma di Feynman(3), Anno mondiale della Fisica Feynman alla Cornell University A partire dagli anni cinquanta fu Docente di Fisica al California Institue of Technology. Le sue Lezioni, tra il 1962 e 1964, sono state raccolte in una serie di Volumi, apprezzate da una generazioni di Fisici (io e Aldo compresi). Alle doti di Fisico affiancava un senso dell umorismo fuori dal comune e molti aneddoti li raccolse in due pubblicazioni : Sta scherzando, Mr. Feynman e Che ti importa cosa dice la gente?. Aveva passione per la musica e per le Arti figurative (dipinse ritratti femminili). Amava definirsi Fisico, Insegnante, cantastorie, suonatore di Bongo Feynman è ritenuto il padre delle Nanotecnologie, nel 1959 scrisse There s plenty of room at the bottom in cui dimostra la possibilità di manipolazione diretta degli atomi nella sintesi chimica. Feynman è considerato l ispiratore dei Computer quantistici essendo stato il primo ad ipotizzarne la possibilità realizzativa. Gli è stato dedicato un asteroide, 7495 Feynman. Muore a 69 anni per una rara forma di tumore, liposarcoma. 3

4 Richard Feynman ha scritto tantissime opere, alcune tradotte in italiano : La Fisica di Feynman, Zanichelli 2001 ; Il Piacere di scoprire, Adelphi Volumi in cofanetto, Zanichelli, 2007 : Volume 1 : Meccanica, Radiazione, Calore Volume 2 : Elettromagnetismo e Materia Volume 3 : Meccanica quantistica Volume 4 : Risoluzione di problemi di Fisica Il moto dei pianeti intorno al Sole, lezione di R.Feynman, Zanichelli 1997 Vita e avventure di uno scienziato curiioso, Zanichelli 1988 Il senso delle cose, Adelphi 1986 Le lettere di Richard Feynman, Adelphi 2006 QED : La strana teoria della luce e della Materia, Adelphi Quantum Electro-Dynamics, Perseus Pubblishing 1998 Opere di Feynman esposte al Campus del California Technology Institute (2) L Elettrodinamica quantistica ( Quantum Electro-Dynamics, QED) è la Teoria quantistica del Campo Elettromagnetico. La QED descrive tutti i fenomeniche coinvolgono le particelle cariche interagenti per mezzo della forza elettromagnetica, ma include anche la teoria della Relatività ristretta di Einstein. (3) Nei Diagrammi di Feynman le particelle sono rappresentate con linee, un punto in cui le particelle si intersecano è chiamato vertice di interazione. Il fotone (mediatore dell interazione elettromagnetica) si indica con una linea ondulata. I bosoni (interazione nucleare debole) si indicano con linee tratteggiate. I gluoni (interazione nucleare forte) si indicano con una linea a molla. Leptoni, Adroni e Quark si indicano con linee continue 4

5 Il qubit Benjamin Schumacher è un Fisico teorico statunitense, ha conseguito il Ph.D. presso l Università di Austin in Texas, lavora nell ambito della Teoria dell informazione quantica. Schumaker ha coniato il termine qubit che è il corrispondente del bit nell Informatica quantistica. Benjamin Schumaker Peter Zoller Peter Zoller è nato a Innsbruck il 16 Settembre 1952, è Docente all Università di Innsbruck nel Dipartimento di Ottica quantistica, si occupa di Fisica atomica e Informatica quantistica. Ha pubblicato lavori pionieristici nel campo della Fisica dello stato solido e della Computazione quantistica. Nel 2013 ha ricevuto il Premio Wolf per la Fisica. Peter Zoller 5

6 D-Wave one L 11 Maggio 2011 la Società D-Wave System, canadese, presenta il primo ed unico esemplare di Computer quantistico venduto per Dollari, il D-Wave one, dotato di un processore a 128 qubit che deve funzionare a -271 gradi Celsius (2 gradi Kelvin). La D-Wave System viene fondata da Geordie Rose nel 1999 e si occupa esclusivamente di progettazione e produzione di componenti per la Computazione quantistica. La D-Wave System ha fondato un Accademia di ricerca su Quantum Computing cui partecipano diversi centri di ricerca : University of Toronto, University of Twente, University of Erlangen, Universitè de Sherbrooke, Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, Chalmers University of Technology. La D-Wave System ha sede in Burnaby, Canada, ed ha uffici in Virginia, Palo Alto (California) ed a Vienna. Il primo prototipo di Computer quantistico, denominato Orion, è stato presentato il 13 Febbraio 2007 presso il Computer History Museum in Mountain View, California e disponeva di un processore a 16 qubit, doveva essere raffreddato fino a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273 C ). Nel Novembre dello stesso anno la D-Wave presentava un modello migliorato che conteneva un processore a 28 qubit prodotto dai laboratori NASA JET PROPULSION di Pasadena, California. Nel Giugno 2010 D-Wave presenta un processore a 128 qubit (vedi figura) che sarà montato nel Computer D-Wave one. Processore quantistico 128 qubit, Geordie Rose Raffreddamento a 271 C dell Orion Un gruppo di Ricerca indipendente, capigruppo Matthias Troyer e Daniel Lidar, ha operato test di controllo su D-Wave one e non ha trovato aumento di velocità di calcolo rispetto ai Computer tradizionali. I due Fisici sono scienziati dell ETH di Zurigo e del Quantum Computation Center di Pasadena (California), hanno provato D-Wave one ed hanno dimostrato che un normale Computer digitale lo surclassa di 15 volte proprio nella risoluzione di problemi per i quali i Computer D-wave sono stati progettati. I Computer quantistici usano le leggi della Fisica subatomica. In particolare la Sovrapposizione di stati quantici e l Entanglement quantistico. 6

7 D-Wave Two Il 19 Maggio 2012 la D-Wave System presenta il D-Wave Two, Computer quantistico con un processore a 512 qubit (vedi figura ). A Marzo 2013 gruppi di ricercatori dell Istituto di Fisica di Londra hanno rilevato, seppure indiretta, l evidenza di entanglement quantistico nei circuiti D- Wave. A Maggio 2013 Catherine McGeoch, consulente della D-Wave, pubblica una comparazione tra D-Wave Two ed un Computer tradizionale, CPLEX, ed il primo risulta 3600 volte più veloce però rispetto alla risoluzione di un particolare problema specifico per il quale D-Wave Two è stato progettato, il CPLEX è un generico computer. A Maggio 2013 la NASA e Google annunciano l utilizzo di D-Wave Two in un laboratorio di intelligenza artificiale quantica. D-Wave Two, Processore quantistico 512 qubit Mathias Troyer, Fisico dell Istituto federale svizzero di Technologia (ETH), agli inizi del 2014 ha pubblicato un articolo su Science in cui dimostra che test specifici sui Computer D-Wave Two non verificano la potenza di calcolo dichiarata. Il parametro in questione è il quantum speed up. Troyer ed i suoi collaboratori hanno confrontato il D-Wave con un Computer tradizionale ed hanno misurato il q.s.u. che indica come aumenta il tempo per risolvere un problema via via che aumentano le dimensioni del problema stesso. Daniel Lidar, Direttore e fondatore del Center for Quantum Information Science & Technology, Direttore del Lockheed Quantum Computation Center, famoso per le sue ricerche ed i controlli su sistemi quantistici e sulla computazione quantistica, contemporaneamente ed indipendentemente da Troyer, ha realizzato test di comparazione sui D-Wave. Il risultato dei test effettuati da Troyer e Lidar è perentorio ed inequivocabile : non è emersa alcuna prova di quantum speed up positivo da parte dei Computer D-Wave. 7

8 (*) Daniel Lidar Daniel Lidar nasce a Gerusalemme nel 1968 ed ottiene il Ph.D. in Fisica nell Università della sua città natale con una Tesi sulle Caratterizzazioni strutturali dei sistemi disordinati. Nell 86 si trasferisce negli Stati Uniti, si laurea a Berkeley in Chimica e successivamente in Matematica e Fisica. E Docente di Chimica all Università di Toronto dal 2000 al Dal 2005 passa all Università del Sud California dove ottiene la Cattedra di Ingegneria elettrica, Chimica e Fisica. Dal 2000 al 2009 figura nei primi 20 autori nel campo della Quantum Computing. Nel 2009 è stato eletto Arbitro supervisore esterno della American Phisical Society. Le sue ricerche vertono su Elaborazione quantistica e relativi controlli. E autore ed editore di una pubblicazione sugli errori quantistici. Ha studiato a fondo, nella elaborazione quantistica, il metodo per superare il pericolo della decoerenza quantica che genera rumori di fondo molto fastidiosi. Lidar si è occupato, con diverse pubblicazioni, di algoritmi quantistici, simulazioni di Chimica quantistica e Meccanica statistica. Attualmente è Direttore del Center for Quantum Information Science & Technology (CQIST) all interno della Università del Sud California, nonché Direttore del Quantum Computation Center, sinergia tra University of South California (USC) e l Industria Lockeed Martin, che si occupa prevalentemente di esplorare le possibilità potenziali della Elaborazione quantistica adiabatica. Ricercatori e studenti dell Istituto di Scienze dell Informatica della USC studiano teoricamente e sperimentalmente i sistemi D-Wave One and Two alle bassissime temperature necessarie (pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Il Prof. Daniel Lidar ha ottenuto numerosi brevetti nel campo dell informatica quantistica ed ha pubblicato numerosi articoli scientifici: - Methods for single qubit gate teleportation, Quantum Computation, Encoding and error soppression for superconducting quantum computers, Dressed qubit, Simulating spin glasses on a Quantum Computer, Towards fault tolerant adiabatic quantum Computation,