▷ Che cos'è un processore quantico e come funziona?

Ti starai chiedendo che cos'è un processore quantico e come funziona ? In questo articolo approfondiremo questo mondo e proveremo a saperne di più su questo strano essere che forse un giorno farà parte del nostro bellissimo telaio RGB, ovviamente quantico.

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Come ogni cosa in questa vita, o ti adatti o muori. Ed è esattamente ciò che accade con la tecnologia e non precisamente in un intervallo di milioni di anni come esseri viventi, ma nel giro di pochi anni o mesi. La tecnologia avanza a un ritmo vertiginoso e le grandi aziende innovano costantemente nei loro componenti elettronici. Più energia e meno consumi per proteggere l'ambiente sono i locali che sono alla moda oggi. Abbiamo raggiunto un punto in cui la miniaturizzazione dei circuiti integrati sta quasi raggiungendo il limite fisico. Intel afferma che sarà 5nm, oltre che non ci sarà una legge di Moore valida. Ma un'altra figura guadagna forza ed è il processore quantico. Presto iniziamo a spiegare tutti i suoi benefici.

Con IBM come precursore, importanti aziende come Microsoft, Google, Intel e NASA sono già incoraggiate in una lotta per vedere chi può costruire il processore quantistico più affidabile e potente. Ed è sicuramente il prossimo futuro. Vediamo di cosa tratta questo processore quantico

Abbiamo bisogno di un processore quantistico

Gli attuali processori sono basati su transistor. Usando una combinazione di transistor, le porte logiche sono costruite per elaborare i segnali elettrici che li attraversano. Se ci uniamo a una serie di porte logiche otterremo un processore.

Il problema è quindi nella sua unità di base, i transistor. Se li miniaturizziamo, possiamo posizionarne di più in un unico posto, fornendo più potenza di elaborazione. Ma, naturalmente, esiste un limite fisico a tutto ciò, quando raggiungiamo transistor così piccoli che sono nell'ordine dei nanometri, troviamo problemi per gli elettroni che circolano al loro interno per farlo correttamente. Esiste la possibilità che questi scivolino fuori dal loro canale, si scontrino con altri elementi all'interno del transistor e causino guasti alla catena.

E questo è esattamente il problema, che attualmente stiamo raggiungendo il limite di sicurezza e stabilità per fabbricare processori utilizzando transistor classici.

Informatica quantistica

La prima cosa che dobbiamo sapere è cos'è l'informatica quantistica e non è facile da spiegare. Questo concetto si discosta da ciò che oggi conosciamo come calcolo classico, che utilizza bit o stati binari di "0" (0, 5 volt) e "1" (3 volt) di un impulso elettrico per formare catene logiche di informazioni calcolabili.

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Il calcolo quantistico da parte sua usa il termine qubit o cubit per riferirsi a informazioni fruibili. Un qubit non contiene solo due stati come 0 e 1 ma è anche in grado di contenere contemporaneamente 0 e 1 o 1 e 0, ovvero può avere questi due stati contemporaneamente. Ciò implica che non abbiamo un elemento che accetta valori discreti 1 o 0, ma, poiché può contenere entrambi gli stati, ha una natura continua e al suo interno alcuni stati che saranno sempre più stabili.

Più qubit più informazioni possono essere elaborate

Proprio nella capacità di avere più di due stati e di avere più di questi contemporaneamente, sta il suo potere. Potremmo essere in grado di eseguire più calcoli contemporaneamente e in meno tempo. Maggiore è il numero di qubit, più informazioni possono essere elaborate, in questo senso è simile alle CPU tradizionali.

Come funziona un computer quantistico

L'operazione si basa sulle leggi quantistiche che governano le particelle che formano il processore quantistico. Tutte le particelle hanno elettroni oltre a protoni e neutroni. Se prendiamo un microscopio e vediamo un flusso di particelle di elettroni, potremmo vedere che hanno un comportamento simile a quello delle onde. Ciò che caratterizza un'onda è che è un trasporto di energia senza il trasporto della materia, ad esempio il suono, sono vibrazioni che non possiamo vedere, ma sappiamo che viaggiano attraverso l'aria fino a quando non raggiungono le nostre orecchie.

Bene, gli elettroni sono particelle che sono in grado di comportarsi come una particella o come un'onda e questo è ciò che causa la sovrapposizione degli stati e possono verificarsi contemporaneamente 0 e 1. È come se le ombre di un oggetto fossero proiettate, in un angolo troviamo una forma e un'altra. La congiunzione delle due forma la forma dell'oggetto fisico.

Quindi, invece di due valori 1 o 0 che conosciamo come bit, basati su tensioni elettriche, questo processore è in grado di funzionare con più stati chiamati quanti. Un quanto, oltre a misurare il valore minimo che può assumere una grandezza (ad esempio 1 volt), è anche in grado di misurare la minima variazione possibile che questo parametro può sperimentare passando da uno stato a un altro (ad esempio, essendo in grado di differenziare di un oggetto per mezzo di due ombre simultanee).

Possiamo avere 0, 1 e 0 e 1 allo stesso tempo, cioè bit sovrapposti uno sopra l'altro

Per essere chiari, possiamo avere 0, 1 e 0 e 1 allo stesso tempo, cioè bit sovrapposti uno sopra l'altro. Più qubit, più bit possiamo avere uno sopra l'altro e quindi più valori possiamo avere contemporaneamente. In questo modo, in un processore a 3 bit, dovremo svolgere attività che hanno uno di questi 8 valori, ma non più di uno alla volta. d'altra parte, per un processore a 3 qubit avremo una particella che può prendere otto stati alla volta e quindi saremo in grado di fare compiti con otto operazioni contemporaneamente

Per darci un'idea, l'unità di processore più potente mai creata attualmente ha una capacità di 10 teraflop o quali sono gli stessi 10 miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo. Un processore da 30 qubit sarebbe in grado di eseguire lo stesso numero di operazioni. IBM ha già un processore quantico a 50 bit e siamo ancora nella fase sperimentale di questa tecnologia. Immagina quanto possiamo andare lontano, come puoi vedere le prestazioni sono molto più elevate rispetto a un normale processore. All'aumentare dei qubit di un processore quantico, le operazioni che può eseguire si moltiplicano in modo esponenziale.

Come puoi creare un processore quantico

Grazie a un dispositivo in grado di funzionare con stati continui invece di avere solo due possibilità, è possibile ripensare a problemi che fino ad ora erano impossibili da risolvere. O anche risolvere i problemi attuali in modo più rapido ed efficiente. Tutte queste possibilità sono aperte con una macchina quantistica.

Per "quantizzare" le proprietà delle molecole, dobbiamo portarle a temperature vicine allo zero assoluto.

Per raggiungere questi stati, non possiamo usare transistor basati su impulsi elettrici che alla fine saranno un 1 o uno 0. Per fare questo, dovremo guardare oltre, in particolare le leggi della fisica quantistica. Dovremo assicurarci che questi qubit, formati fisicamente da particelle e molecole, siano in grado di fare qualcosa di simile a quello che fanno i transistor, cioè di stabilire relazioni tra loro in modo controllato in modo da offrirci le informazioni che vogliamo.

Questo è ciò che è veramente complicato e il soggetto da superare nell'informatica quantistica. Per "quantizzare" le proprietà delle molecole che compongono il processore, dobbiamo portarle a temperature vicine allo zero assoluto (-273, 15 gradi Celsius). Affinché la macchina sappia come differenziare uno stato dall'altro, dobbiamo renderli diversi, ad esempio una corrente di 1 V e 2 V, se mettiamo una tensione di 1, 5 V, la macchina non saprà che è l'uno o l'altro. E questo è ciò che deve essere raggiunto.

Svantaggi dell'informatica quantistica

Lo svantaggio principale di questa tecnologia è proprio quello di controllare questi diversi stati attraverso i quali la materia può passare. Con stati simultanei, è molto difficile eseguire calcoli stabili usando algoritmi quantistici. Questa si chiama incoerenza quantistica, sebbene non entreremo in giardini inutili. Ciò che dobbiamo capire è che più qubit avremo più stati e maggiore sarà il numero di stati maggiore sarà la velocità che avremo, ma anche più difficili da controllare saranno gli errori nei cambiamenti della materia che si verificano.

Inoltre, le regole che governano questi stati quantici di atomi e particelle dicono che non saremo in grado di osservare il processo di calcolo mentre è in atto, poiché se interferiamo con esso, gli stati sovrapposti verrebbero completamente distrutti.

Gli stati quantistici sono estremamente fragili e i computer devono essere completamente isolati sotto vuoto e a temperature vicine allo zero assoluto per ottenere un tasso di errore dell'ordine dello 0, 1%. O i produttori di raffreddamento a liquido mettono le batterie o finiamo il computer quantico per Natale. A causa di tutto ciò, almeno a medio termine ci saranno computer quantistici per gli utenti, forse potrebbero essercene alcuni distribuiti in tutto il mondo nelle condizioni richieste e possiamo accedervi attraverso Internet.

applicazioni

Con la loro potenza di elaborazione, questi processori quantistici verranno utilizzati principalmente per il calcolo scientifico e per risolvere problemi precedentemente irrisolvibili. La prima delle aree di applicazione è probabilmente la chimica, proprio perché il processore quantistico è un elemento basato sulla chimica delle particelle. Grazie a questo si potevano studiare gli stati quantistici della materia, oggi impossibili da risolvere con i computer convenzionali.

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Dopo questo potrebbe avere applicazioni per lo studio del genoma umano, l'indagine sulle malattie, ecc. Le possibilità sono enormi e le affermazioni sono reali, quindi possiamo solo aspettare. Saremo pronti per la revisione del processore quantistico!