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Mag
Tecnologie Qubits
Il quantum computing è emerso come una delle frontiere più promettenti nella tecnologia informatica, con il potenziale di rivoluzionare campi che vanno dalla crittografia alla scoperta di farmaci. Al cuore di questa rivoluzione tecnologica si trova il componente fondamentale: il qubit. A differenza dei bit classici che possono essere solo nello stato 0 o 1, i qubit possono esistere in più stati simultaneamente attraverso la sovrapposizione quantistica, consentendo calcoli esponenzialmente più potenti.
Tuttavia, la costruzione di qubit affidabili presenta enormi sfide ingegneristiche. Sono emerse molteplici tecnologie in competizione, ognuna con approcci unici per creare e controllare questi stati quantistici. Questo articolo esplora le varie tecnologie dei qubit attualmente in sviluppo e confronta i loro punti di forza, limitazioni e potenziale di scalabilità verso computer quantistici pratici.
In teoria, qualsiasi sistema fisico con due stati quantistici facilmente distinguibili può essere utilizzato come qubit. In sostanza, si tratta semplicemente di assegnare i valori binari 0 e 1 a due livelli energetici di un sistema quantistico. Mentre questa idea è semplice in principio, nella pratica è estremamente complessa. Gli stati quantistici sono intrinsecamente fragili, e ogni implementazione affronta diverse limitazioni basate sullo specifico sistema fisico utilizzato.
Per scegliere il tipo giusto di qubit, bisogna considerare diversi criteri importanti:
- Velocità operativa – quanto velocemente possono essere eseguite le porte quantistiche?
- Fedeltà – quanto precise e prive di errori sono queste operazioni?
- Producibilità – quanto è complesso o costoso costruire questi qubit?
- Controllo – come possiamo manipolare e leggere lo stato quantistico?
- Scalabilità – quanto è fattibile integrare più qubit su un singolo chip?
- Resilienza agli errori – quanto sono robusti i qubit contro la decoerenza e il rumore?
In breve, ci sono molti modi promettenti per creare qubit, tuttavia, ogni tecnologia ha i suoi vantaggi e debolezze, e ad oggi, nessuna implementazione ha ottenuto il definitivo sopravvento. Nella figura qui sotto, ho elencato gli approcci più perseguiti, mostrando perché sono considerati promettenti per il futuro del quantum computing attraverso un confronto tra alcune delle caratteristiche più rilevanti di cui un computer quantistico avrebbe bisogno per scalare. Detto questo, questo è un problema molto tecnico (principalmente) a livello hardware, e cercare di indovinare quale tecnologia alla fine prevarrà è un compito quasi impossibile.
Confronto tra le diverse tecnologie di qubit, con evidenza dei loro punti di forza e debolezza, ispirato da Mckinsey.
È davvero difficile valutare quale tecnologia sia migliore, non solo per la complessità dell’hardware, ma anche perché sono molti gli aspetti diversi che caratterizzano un computer quantistico “buono” o “utile”. Molte delle metriche più immediate come il numero di qubit, sono utili per certi aspetti ma carenti in altri; potrebbero quindi fornire una visione distorta nel confronto tra le tecnologie. Per esempio, le soluzioni a ioni intrappolati eccellono nella fedeltà del singolo qubit, ma sono spesso considerate lente in termini di calcolo. Questo significa che la tecnologia potrebbe arrivare prima ai qubit logici ma avrebbe molte difficoltà a scalare e diventare abbastanza veloce per eseguire circuiti complessi.
La via d’uscita dall’era del quantum computing a scala intermedia rumoroso (NISQ) è costruire computer quantistici più grandi e migliori (in termini di errori). L’immagine qui sotto mostra l’attuale panorama delle tecnologie dei qubit attraverso queste due metriche. Come possiamo vedere, non esiste una tecnologia buona (in alto a sinistra) o cattiva (in basso a destra), né un’azienda tale.
Prestazioni dei chip quantistici per le diverse tecnologie e fornitori.
Per affrontare questa complessità, la comunità quantistica sta lavorando per sviluppare metriche di prestazione standardizzate e indipendenti dall’hardware. Queste metriche mirano ad astrarre dall’implementazione fisica e concentrarsi invece sulle capacità del computer quantistico. Tra le più comuni troviamo:
- Numero di Qubit Logici: Un qubit logico è un’unità ad alta fedeltà e correzione d’errore costruita da multipli qubit fisici (tipicamente 100-1000). Questa metrica riflette la reale utilità computazionale.
- Profondità del Circuito: Misura quanti strati di gate possono essere applicati sequenzialmente a un qubit. È un indicatore di quanto profondo o complesso può essere un algoritmo quantistico su una data macchina.
- Volume Quantistico (QV): Proposto da IBM, il QV è definito come 2^d, dove d è il più grande circuito quadrato (stesso numero di qubit e strati) che un sistema può eseguire in modo affidabile. Combina numero di qubit, fedeltà, connettività e altro.
- QuOps: Abbreviazione di “operazioni quantistiche”, questa metrica conta il numero totale di gate quantistici e misurazioni eseguite in un circuito.
Queste metriche sono particolarmente utili per confrontare diverse piattaforme e valutare le capacità nel mondo reale. Aiutano anche a stimare le risorse necessarie per compiti avanzati, per esempio, fattorizzare una chiave RSA a 2048 bit usando l’algoritmo di Shor.
| Logical Qubits (N) | Circuit Depth (D) | QuOps (ND*) | |
|---|---|---|---|
| 2048-bit integer RSA | 6’115 | 2.1 Billions | 13 TeraQuOps |
Gli sforzi di benchmarking come quelli di Metriq mirano a creare un archivio pubblico completo delle metriche di prestazione per diversi dispositivi e algoritmi quantistici. Questa trasparenza aiuta a monitorare i progressi di ogni tecnologia nel tempo.
Un modo per apprezzare i compromessi tra le diverse tecnologie dei qubit è osservare quali aziende le stanno sviluppando. Mentre i qubit superconduttori dominano attualmente in termini di investimenti e maturità, altri approcci – come ioni intrappolati, atomi neutri, fotonica e qubit topologici – stanno avanzando rapidamente. Un esempio notevole è il recente annuncio di Microsoft del Majorana 1, un chip a qubit topologico. Sebbene inizialmente fosse una delle tecnologie meno sviluppate, questa svolta (nonostante il dibattito in corso) ne ha elevato il potenziale percepito.
Il grafico qui sotto mostra i fornitori e le startup attuali raggruppati per le loro tecnologie di qubit scelte. Ognuno scommette sui vantaggi specifici della propria piattaforma, suggerendo un campo diversificato e competitivo.
Panorama degli attuali fornitori e startup, suddivisi per tecnologia dei qubit. Crediti a Michel Kurek.
Infine, è molto interessante vedere come diverse tecnologie stiano portando a roadmap comparabili. Quasi tutti i grandi player si aspettano di raggiungere il traguardo dei 100 qubit logici nei prossimi 5 anni, spesso considerato come la soglia per raggiungere il cosiddetto quantum computing a scala di utilità, ovvero il momento in cui il calcolo quantistico diventa più potente dei migliori computer classici su compiti utili e inizia ad avere un impatto economico sulla società.
Nei prossimi 5 anni, probabilmente vedremo o una tecnologia prevalere definitivamente sulle altre oppure diverse implementazioni di qubit utilizzate per differenti applicazioni che meglio si adattano ai loro punti di forza.
Cronologia completa dei fornitori di computer quantistici per i prossimi 5 anni.
Mentre il quantum computing continua ad evolversi rapidamente, rimanere informati su queste tecnologie concorrenti e sui loro progressi è fondamentale. Che tu sia un ricercatore, un investitore o un appassionato di tecnologia, seguire lo sviluppo di questi diversi approcci ti aiuterà a comprendere meglio e potenzialmente contribuire al panorama del quantum computing. Il prossimo passo è approfondire le tecnologie specifiche che si allineano con i tuoi interessi o le esigenze del tuo settore.
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