I computer più freddi del mondo

Immagina che gli Stati Uniti siano sotto attacco. Un aereo nemico, carico di testate, si sta dirigendo verso la costa, immergendosi dentro e fuori dal radar. I caccia sono stati confusi e c'è uno sforzo frenetico per individuare l'obiettivo.

Ma la migliore difesa della nazione non è una portaerei o un sistema missilistico. È una scatola di atomi incredibilmente freddi.

"Usa il computer quantistico", grida un generale. Gli atomi all'interno del computer possono risolvere problemi complessi e, quasi istantaneamente, emettere un'istruzione su come riconfigurare un array radar in modo che l'aereo nemico possa essere rintracciato e preso di mira.

Un'azienda già alle prese con uno scenario come questo è ColdQuanta. Di recente ha firmato un contratto con l'agenzia di ricerca sulla difesa statunitense Darpa per costruire un computer quantistico in grado di capire rapidamente come riposizionare al meglio le apparecchiature radar in caso di guasto parziale di un sistema di difesa.

Il progetto si basa sulla capacità di riunire abbastanza atomi come qubit - i mattoni di un computer quantistico, che gli consentono di eseguire calcoli.

Per fare questo, gli atomi devono essere estremamente freddi, rendendo tali computer i più freddi del mondo.

Il calcolo quantistico è molto apprezzato, ma la tecnologia è molto agli inizi. Le aziende stanno appena iniziando a costruire sistemi che un giorno supereranno i computer digitali tradizionali in determinate attività utili.

"Ciò che ci viene chiesto di fare nei prossimi 40 mesi è essere in grado di avere una macchina con migliaia di qubit per risolvere un problema di difesa nel mondo reale e quello su cui stiamo lavorando è una versione di questo radar problema di copertura ", spiega Bo Ewald, amministratore delegato di ColdQuanta, con sede in Colorado.

L'esempio sopra è un problema di ottimizzazione, uno scenario per il quale possono esserci migliaia o milioni di possibili soluzioni. La chiave è scegliere quella migliore.

Oltre alle applicazioni militari, i computer quantistici potrebbero avere usi nella progettazione di farmaci, strategie di investimento, cracking della crittografia e problemi di programmazione complessi per grandi flotte di veicoli.

Ewald afferma che è qui che i computer quantistici avranno il loro impatto iniziale: nel trovare soluzioni ottimali ai problemi che richiederebbero i computer esistenti, anche i supercomputer più veloci, molte ore o giorni da risolvere.

Esistono vari tipi di computer quantistici in sviluppo, ma l'approccio che utilizza atomi neutri ultra-freddi come qubit è insolito: è diverso dai computer quantistici superconduttori sviluppati da grandi aziende come IBM e Google, o altri progetti che usano atomi carichi, anche noto come ioni, invece.

I computer quantistici superconduttori non utilizzano singoli atomi come qubit e, sebbene questi sistemi si basino su basse temperature, non sono così bassi come quelli necessari per gli atomi neutri di ColdQuanta.

"La gente superconduttiva sta correndo a millikelvin ... siamo passati al microkelvin", spiega, orgoglioso.

Kelvin è una misura della temperatura. Zero kelvin, zero assoluto (-273,15 ° C) è quanto di più freddo possa mai essere.

E mentre millikelvin è freddo, a 0,001 kelvin, gli atomi di microkelvin di ColdQuanta sono molto più freddi - a circa 0,000001 kelvin. Entrambi sono significativamente più freddi, in effetti, di qualsiasi altra cosa conosciamo nell'universo naturale.

Nel caso di ColdQuanta gli atomi di rubidio sono riuniti all'interno di un vuoto all'interno di una piccola scatola di vetro, esagonale o rettangolare, larga circa un pollice, profonda un pollice e alta due pollici. Gli atomi sono tenuti in alto esclusivamente dai laser.

Ma perché la temperatura è così importante? Il prof Andrew Daley dell'Università di Strathclyde afferma che è fondamentale essere in grado di manipolare gli atomi e mantenerli in posizione.

Laser brillanti sugli atomi li spingono a rilasciare un po 'di energia e rallentare. Ciò rende possibile tenerli quasi perfettamente immobili, che è il vero punto qui. Non sono freddi nel senso che tu o io concepiremmo il freddo - piuttosto, sono solo molto rallentati.

Una volta che hai le tue anatre - atomi - in fila, puoi sistemarle come vuoi, dice il prof Daley. Questo controllo a grana fine sugli atomi significa che possono essere collocati in formazioni bidimensionali o tridimensionali, impaccati l'uno vicino all'altro nel cuore di un computer quantistico. Questo è importante perché con ogni atomo aggiuntivo, le capacità del computer vengono raddoppiate.

Produrre ogni atomo neutro con l'ennesimo laser li eccita, aumentandone notevolmente le dimensioni. Queste regolazioni codificano le informazioni o collegano gli atomi attraverso uno strano fenomeno chiamato entanglement. Ora hai una raccolta di qubit che funzionano insieme come un sistema che puoi modificare per rappresentare un modello matematico o un problema di qualche tipo.

Sorprendentemente, l'utente di un computer quantistico potrebbe in teoria programmare questo sistema per simulare un numero enorme di possibilità contemporaneamente. Non è proprio come un computer tradizionale che elabora molti calcoli in parallelo, è più strano e meno prevedibile di quello e ottenere una risposta utile alla fine è difficile.

"Quello che vuoi è che lo stato quantistico alla fine rappresenti la risposta al problema che stai cercando di risolvere", dice Jonathan Pritchard, collega del Prof Daley a Strathclyde. Il computer quantistico dovrebbe finire per favorire uno stato particolare, o una risposta particolare a un problema.

Per il problema giusto, potrebbe avvicinarci molto di più a una risposta ottimale, sia in modo più rapido che più efficiente, rispetto a un computer tradizionale.

"Stiamo ancora aspettando una dimostrazione di un compito informatico in cui possiamo dimostrare che queste macchine hanno fatto qualcosa di diverso da quello che puoi fare su un computer classico - qualcosa che è effettivamente utile", afferma il professor Daley.

La società francese Pasqal sta costruendo un sistema prototipo, basato su principi simili a ColdQuanta.

Il sistema di Pasqal è per il colosso energetico EDF, che, se funziona, fornirà programmi super efficienti per la ricarica dei veicoli elettrici. In particolare, l'obiettivo è ridurre al minimo il tempo totale necessario per completare la ricarica di tutti i veicoli, dando priorità anche a determinati veicoli più importanti rispetto ad altri.

Questo tipo di problema potrebbe essere affrontato da un computer tradizionale, ammette Christophe Jurczak, presidente, ma sostiene che un sistema quantistico finirà per essere significativamente più veloce, ad esempio in un'ora anziché in 24 ore.

"Non sembra così grande, ma se vuoi aggiornare la tua strategia ogni ora, questa è una grande differenza", dice. E potrebbe usare 100 volte meno elettricità di un supercomputer nel processo.

Al momento, tutto ciò resta da dimostrare sul serio. Ma ci sono segni che nei prossimi anni - più velocemente di quanto ci aspettiamo - scopriremo quanto sia utile questa razza di computer sorprendentemente fredda.