Come migliorare la performance di un computer quantistico

Uno studio dedicato ai meccanismi termodinamici dei qubit apre la strada a nuove e migliori prestazioni del calcolo quantistico
Archivio fotografico 123rf.com - Riproduzione riservata
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Computer quantistici: per molti sono ancora un’astrazione avveniristica, ma per i ricercatori sono una realtà. Tanto che si stanno già ponendo il problema di come migliorare le loro prestazioni.

Sì, perché i computer quantistici, per esprimere la loro fortissima potenza di calcolo hanno bisogno di essere isolati da ogni forma di disturbo o interferenza generata dall’ambiente in cui sono immersi.

A questo tema è dedicato lo studio svolto da Michele Campisi e da Lorenzo Buffoni, dottorando di ricerca dell’Ateneo, pubblicato sulla rivista “Quantum Science and Technology“, primo passo verso una più approfondita conoscenza dei meccanismi termodinamici che accompagnano il calcolo quantistico.

“La differenza sostanziale tra un computer normale e un computer quantistico sta nelle loro unità logiche, chiamate rispettivamente bit e qubit. Entrambi si basano su due possibili stati, 0 e 1 – spiega Campisi -, ma mentre il bit può stare o in 0 o in 1, il qubit può stare in ambedue simultaneamente”. Una differenza enorme che rende il computer quantistico capace di svolgere in pochi secondi calcoli che richiederebbero anni.

“Perché la simultaneità di 0 e 1 sussista all’interno del qubit – continua Campisi – è necessario isolarli da quello che tecnicamente si chiama rumore”.

Campisi e Buffoni hanno analizzato la performance di un particolare processore quantistico (quello prodotto dall’azienda canadese D-Wave) ponendo l’attenzione sugli scambi energetici che avvengono durante le operazioni di calcolo.

“In un calcolatore di tipo D-Wave il calcolo quantistico si realizza portando l’intero processore, formato da circa un migliaio di qubit, da uno stato iniziale ad un determinato stato finale. La difficoltà maggiore sta nel raggiungerlo con precisione: tanto più ci si avvicina, tanto migliore è il calcolo”, sottolinea Campisi, che usa un’immagine per spiegare questo comportamento: “E’ esattamente come avere un pendolo in mano e dover camminare da un punto A ad un punto B, senza che il pendolo si metta ad oscillare strada facendo. La strategia di D-Wave è quella di camminare molto, molto lentamente”.

Nel loro studio Campisi e Buffoni indicano un’altra soluzione, e cioè quella di muoversi in un ambiente molto viscoso, che smorza naturalmente le oscillazioni. “In questo modo si può raggiungere B in tempi più brevi senza far oscillare il pendolo. I nostri esperimenti hanno verificato che questa strategia alternativa funziona, cioè in questo modo il calcolo viene fatto in modo veloce e preciso. Ovviamente, siccome per raggiungere lo scopo si deve ‘passare attraverso regioni molto viscose’ questo costa più energia rispetto alla strategia tradizionale – aggiungono Campisi e Buffoni -. L’ambiente esterno ai qubit non è necessariamente dannoso: è vero che genera rumore, ma, come è ben noto ai fisici, il rumore è sempre accompagnato da dissipazione per attrito. E in questo caso è stato effettivamente d’aiuto”.

“Il nostro lavoro esemplifica proprio come la conoscenza dei meccanismi termodinamici che accompagnano il calcolo quantistico possono e potranno essere ancora utilizzati per migliorarne le prestazioni – concludono Campisi e Buffoni -, non limitatamente al calcolatore specifico in esame ma in generale anche per altri tipi di calcolatori quantistici”.


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