Introduzione al corso

Fare clic qui sotto per ascoltare l'introduzione al corso da parte di Olivia Lanes, oppure aprire il video in una finestra separata su YouTube.

Informazioni su questo corso

Benvenuti a Quantum Computing in Practice, un corso che si concentra sugli attuali computer quantistici e su come utilizzarli al massimo delle loro potenzialità. Il libro tratta i potenziali casi d'uso realistici dell'informatica quantistica e le migliori pratiche per l'esecuzione e la sperimentazione di processori quantistici con 100 o più qubit.

Utilità quantistica

È un momento entusiasmante per l'informatica quantistica. Dopo molti anni di ricerca e sviluppo teorico e sperimentale, i computer quantistici si stanno avvicinando a un punto in cui possono iniziare a competere con i computer classici e a dimostrare la loro utilità.

L'utilità non è la stessa cosa del vantaggio quantistico, che si riferisce ai computer quantistici che superano i computer classici per compiti significativi. I computer classici hanno una potenza e un'adattabilità incredibili e il fatto è che i computer quantistici non sono ancora in grado di batterli. Abbiamo assistito a decenni di progressi nel calcolo classico - non solo nell'hardware di calcolo, ma anche negli algoritmi per i computer classici - e possiamo osservare con chiarezza che la tecnologia del calcolo elettronico digitale ha cambiato radicalmente il nostro mondo.

L'informatica quantistica, invece, si trova in una fase diversa del suo sviluppo. L'informatica quantistica pone requisiti estremi al controllo dei sistemi meccanici quantistici e si spinge oltre i confini della tecnologia odierna, e non possiamo realisticamente aspettarci di padroneggiare questa nuova tecnologia e di battere l'informatica classica fin dall'inizio. Ma ci sono segnali che indicano che i computer quantistici stanno iniziando a diventare competitivi con i metodi di calcolo classici per compiti selezionati, il che rappresenta un passo naturale nell'evoluzione tecnologica dell'informatica quantistica nota come utilità quantistica.

Con il progredire della tecnologia e lo sviluppo di nuovi metodi di calcolo quantistico, possiamo ragionevolmente aspettarci che i suoi vantaggi diventino sempre più evidenti, ma ci vorrà tempo. In questo modo, è probabile che si assista a un'interazione con l'informatica classica di tipo "back-and-forth": si eseguiranno dimostrazioni di informatica quantistica e l'informatica classica risponderà, l'informatica quantistica farà un altro giro e lo schema si ripeterà. E un giorno, quando le prestazioni di un computer quantistico non potranno essere eguagliate da un computer classico, ipotizzeremo di aver visto un vantaggio quantistico - ma anche in quel caso non ne avremo la certezza! Dimostrare i risultati di impossibilità per i computer classici è di per sé un problema impossibile da risolvere, per quanto ne sappiamo.

Simulare la natura

I simulatori classici - cioè i programmi eseguiti su computer classici che simulano i sistemi fisici - possono fare previsioni sui sistemi meccanici quantistici. Ma i simulatori classici non sono quantistici e non possono emulare direttamente i sistemi quantistici. Invece usano calcoli matematici per approssimare il comportamento quantistico. Con l'aumentare delle dimensioni dei sistemi da simulare, l'overhead necessario per farlo aumenta drasticamente, ponendo dei limiti ai sistemi quantistici che possono essere simulati in modo classico, alla durata delle simulazioni e all'accuratezza dei risultati.

I computer quantistici, invece, sono in grado di emulare i sistemi quantistici in modo più diretto e, di conseguenza, l'overhead che richiedono si riduce in modo significativo al crescere delle dimensioni del sistema. Questa, infatti, è stata l'idea di Richard Feynman nel sito 1980s che ha motivato per la prima volta un'indagine sul potenziale dei computer quantistici. Avremo modo di parlarne più avanti!

IBM® Nel 2023 alcuni ricercatori hanno pubblicato un articolo che ha dimostrato, per la prima volta, che un computer quantistico può competere con le tecniche classiche più avanzate nella simulazione di un particolare modello fisico. I suoi risultati possono ancora essere eguagliati da tecniche avanzate eseguite su computer tradizionali, ma ha superato gli algoritmi di forza bruta, e offre inoltre un nuovo punto di riferimento con cui confrontare diversi metodi di simulazione (che non sono esatti e non concordano tutti nelle loro previsioni).

Attenzione ai processori quantistici più grandi

Chi ha già utilizzato l'hardware quantistico di IBM potrebbe aver notato che i processori più piccoli che avevamo precedentemente messo a disposizione del pubblico sono stati ritirati, per far posto a processori più grandi (con oltre 100 qubit). Quei processori più piccoli potrebbero essere facilmente simulati con metodi classici. Pertanto, sebbene rappresentassero tappe fondamentali accessibili al pubblico nell'evoluzione di una tecnologia in continua evoluzione, non potevano in alcun modo dimostrare l'utilità quantistica: qualsiasi cosa fosse possibile fare con esse poteva essere realizzata con la stessa facilità tramite una simulazione classica.

A circa 100 qubit, tuttavia, la situazione cambia. In generale, i processori quantistici di queste dimensioni non possono più essere simulati con metodi classici. Ciò rappresenta una sorta di transizione verso una nuova era della tecnologia dell'informatica quantistica, in cui esiste la possibilità di superare le prestazioni dell'informatica classica. È proprio su questo che IBM ha deciso di concentrarsi: ricercare la potenza di calcolo quantistico e puntare al raggiungimento, in futuro, del vantaggio quantistico.

Incoraggiamo i nostri utenti a utilizzare questi nuovi dispositivi al massimo delle loro potenzialità, a sperimentarli e a superare i loro limiti, e a portare avanti le lezioni apprese per la prossima generazione di processori quantistici attualmente in fase di sviluppo. Lo scopo di questo corso è quello di mettervi in grado di farlo!

Destinatari e obiettivi del corso

Questo corso è rivolto a chiunque desideri sviluppare nuove applicazioni per i computer quantistici, voglia ampliare il proprio attuale lavoro nel campo dell'informatica quantistica o voglia imparare a utilizzare i processori quantistici nel proprio flusso di lavoro. Ciò comprende non solo fisici e informatici, ma anche ingegneri, chimici, scienziati dei materiali e chiunque altro sia interessato a padroneggiare l'hardware dell'informatica quantistica.

Il corso sarà pratico e incentrato sull'uso pratico dei computer quantistici. Tra gli argomenti e le competenze trattati vi sono i seguenti:

Esecuzione di processi su larga scala su processori quantistici tramite il servizio di elaborazion IBM Quantum
Utilizzo di tecniche di riduzione degli errori per migliorare i risultati dell'hardware
Potenziali aree di applicazione dei computer quantistici a breve termine

Questo corso non copre la teoria introduttiva dell'informatica quantistica e presuppone una familiarità di base con i qubit e i circuiti quantistici. Il corso Fondamenti dell'informazione quantistica su questa piattaforma copre questo materiale ed è consigliato prima di tutto a chi è alle prime armi con l'informatica quantistica.

La storia dell'informatica

Il calcolo quantistico è una nuova ed entusiasmante tecnologia in fase iniziale di sviluppo, ma è solo un capitolo di una storia millenaria. È la storia del calcolo e delle sue molteplici connessioni con il mondo fisico.

Dispositivi informatici fin dall'antichità

Fin dall'antichità, noi esseri umani abbiamo avuto bisogno di eseguire calcoli - o, in altre parole, di elaborare le informazioni secondo determinate regole e vincoli - per consentire la comunicazione, la costruzione, il commercio, la scienza e altri aspetti della nostra vita. Abbiamo cercato assistenza nel mondo fisico e, grazie a scoperte ingegnose, abbiamo costruito dispositivi che ci aiutano a calcolare.

Molto tempo fa, dispositivi fatti di legno, ossa e corde annodate memorizzavano informazioni e facilitavano i calcoli. I dispositivi meccanici costruiti con leve, ingranaggi e altri macchinari sono passati dai primi orologi astronomici alle calcolatrici, fino a sofisticati dispositivi di calcolo come gli analizzatori differenziali che risolvevano le equazioni utilizzando ruote e dischi rotanti. Anche la tecnologia della scrittura ha svolto un ruolo importante in questa storia, consentendo alle persone di eseguire calcoli che altrimenti non sarebbero stati in grado di fare.

Quando oggi pensiamo ai computer, tendiamo a pensare ai computer elettronici digitali. Ma si tratta di una tecnologia piuttosto recente: i computer elettronici digitali sono stati costruiti per la prima volta nel 1940s. (Si ritiene invece che l'abaco sumero sia stato inventato tra il 2700 e il 2300 a.C.) Da allora la tecnologia è progredita notevolmente e i computer sono ormai onnipresenti. Si trovano nelle case, nei luoghi di lavoro e nei veicoli che ci trasportano da un luogo all'altro, e molti di noi li portano con sé ovunque vadano.

Abbiamo anche i supercomputer, che sono grandi collezioni di potenti processori classici collegati in parallelo. Sono tra i migliori strumenti che l'umanità abbia mai costruito per risolvere problemi difficili, e la loro potenza e affidabilità continua a progredire. Tuttavia, ci sono importanti problemi di calcolo che anche questi colossi non saranno mai in grado di risolvere, a causa della difficoltà computazionale intrinseca di questi problemi.

Connessioni con il mondo fisico

I computer hanno molti usi. Un uso importante dei computer è quello di imparare a conoscere il mondo fisico e a comprenderne meglio i modelli. Gli usi storici di questa categoria includono la previsione delle eclissi e delle maree, la comprensione del movimento dei corpi astronomici e (in tempi più recenti) la modellazione delle esplosioni. Oggi non c'è quasi laboratorio di fisica al mondo che non abbia un computer.

Più in generale, la fisica e il calcolo sono sempre stati intrecciati. La computazione non può esistere nel vuoto: l'informazione richiede un mezzo, e per computare dobbiamo sfruttare il mondo fisico in qualche modo. Rolf Launduer, scienziato informatico (e dipendente IBM), ha riconosciuto decenni fa che l'informazione è fisica, esiste solo attraverso una rappresentazione fisica. Il principio di Landauer stabilisce una connessione tra l'informazione e le leggi della termodinamica, ma in realtà le connessioni sono molteplici.

La comprensione del mondo fisico è l'obiettivo della fisica come disciplina, ma in realtà si tratta di una strada a doppio senso. Grazie alla nostra comprensione del mondo fisico, siamo in grado di sfruttare le nuove tecnologie per aiutarci a calcolare, e attraverso di esse continuiamo a imparare sul mondo fisico - essenzialmente tirando su la fisica e la tecnologia computazionale per i capelli.

Legge di Moore

La legge di Moore è un'osservazione secondo cui il numero massimo di transistor in un circuito integrato raddoppia ogni 2 anni circa. Negli ultimi 5 decenni circa, non solo abbiamo osservato questa tendenza, ma ne abbiamo anche raccolto i frutti. Con più transistor su un chip possiamo eseguire calcoli più complessi e più velocemente. Ecco perché i computer sono diventati sempre più potenti nel tempo.

Tuttavia, la "legge di Moore" sta necessariamente giungendo al termine. Gli esperti non sono d'accordo su quando ciò avverrà, e alcuni sostengono che sia già avvenuto. Ma sappiamo per certo che deve inevitabilmente finire perché esiste un limite teorico alla miniaturizzazione dei componenti informatici. Non possiamo fare un transistor più piccolo di un atomo! Anche se può sembrare esagerato, questo è il muro a cui ci stiamo avvicinando.

La soluzione non è arrendersi e dire: «Beh, meglio di così non si può» Questo va contro la natura umana. Dobbiamo invece guardare al mondo fisico per trovare nuovi strumenti computazionali, ed è qui che entra in gioco l'informatica quantistica.

Quantum computing

Meccanica quantistica e calcolo

La meccanica quantistica è stata scoperta all'inizio del XX secolo e ha già svolto un ruolo importante nella computazione. In effetti, la nostra comprensione della meccanica quantistica ha in parte reso possibili i moderni computer. Senza la meccanica quantistica, ad esempio, è difficile immaginare che sia stato inventato il disco rigido a stato solido.

Il calcolo quantistico in teoria

Quando Richard Feynman propose per la prima volta il concetto di computer quantistico nel 1982, la sua attenzione era rivolta alla simulazione di sistemi meccanici quantistici. I calcoli necessari per farlo sembravano troppo difficili per i normali computer, ma forse, con un computer che opera secondo una descrizione quantistica del mondo, i sistemi potrebbero essere emulati direttamente.

Oggi questa è una delle strade più promettenti per l'informatica quantistica. Per quanto ne sappiamo, la Natura non è classica, ma quantistica. Per questo motivo, i computer quantistici possono essere strumenti preziosi per capirlo. I computer classici, invece, possono solo approssimare ciò che avviene effettivamente in natura, e in alcuni casi tali approssimazioni sono molto limitate approssimazioni sono molto limitate.

Un modo per comprendere questo concetto è ricorrere all'analogia con le gallerie del vento. La fluidodinamica è notoriamente difficile da simulare e prevedere matematicamente. Ad esempio, simulare il comportamento di un'auto in presenza di vento è troppo costoso e poco pratico; per questo motivo, le case automobilistiche costruiscono delle gallerie con vento artificiale e vi fanno passare le auto per testarne le prestazioni. In altre parole, generano il vento anziché simularlo. Costruire un computer quantistico per studiare il mondo fisico è un po' come costruire una galleria del vento per studiare come il vento influisce sulle automobili. I computer quantistici sono in grado di emulare direttamente le leggi della natura a livello molecolare perché agiscono in conformità con tali leggi, il che significa che emulano la natura anziché simularla attraverso formule e calcoli.

Altri hanno seguito le idee di Feynman e le hanno collegate a una teoria dell' informazione quantistica che era già in fase di sviluppo che era già in fase di sviluppo. Nasce il campo dell' informazione e della computazione quantistica. Da allora si è sviluppata in un campo di studio ricco e multidisciplinare e sono stati individuati numerosi vantaggi dell'informazione e del calcolo quantistico rispetto a quello classico in un'ampia varietà di contesti teorici che riguardano la comunicazione, il calcolo e la crittografia.

Il calcolo quantistico nella pratica

In termini pratici, per trasferire questo tipo di vantaggi teorici in vantaggi reali sono necessari due elementi: i dispositivi stessi e le metodologie per sbloccare il loro potenziale.

A differenza dei computer classici, nessuno ha un computer quantistico nascosto nella tasca posteriore. Fino a poco tempo fa, se si voleva sperimentare con un computer quantistico, bisognava costruirlo e mantenerlo da soli (di solito in un triste laboratorio sotterraneo di un'università o di una struttura di ricerca) (di solito in un triste laboratorio sotterraneo di un'università o di una struttura di ricerca) e si disponeva al massimo di pochi qubit molto rumorosi. Non è più così. Nel 2016, IBM Quantum® ha messo a disposizione il primo processore quantistico nel cloud. Aveva solo 5 qubit e tassi di errore piuttosto elevati, ma da allora abbiamo fatto molta strada. Riassumeremo lo stato attuale della tecnologia in una sezione seguente.

Oltre a costruire computer quantistici, dobbiamo anche sviluppare metodologie per utilizzarli in modo efficace. Mentre i progressi teorici negli algoritmi e nei protocolli quantistici suggeriscono un forte potenziale, la sfida di trovare usi pratici per l'informatica quantistica è ancora davanti a noi. I computer quantistici di oggi non sono ancora in grado di eseguire i calcoli con tolleranza ai guasti necessari per trasferire i vantaggi teorici noti in vantaggi pratici. Ma sono al di là della portata delle classiche simulazioni al computer, e possiamo puntare a sfruttare questo fatto per ottenere potenza di calcolo.

Con questi progressi ci troviamo con un nuovo strumento di calcolo, e sta a noi capire cosa possiamo farne.

Potenziali applicazioni

Non si prevede che l'informatica quantistica sia utile per studiare le prestazioni delle auto nel vento. Ma ci sono altri processi fisici - come quelli coinvolti nella progettazione di batterie o in alcune reazioni chimiche - in cui la capacità di un computer quantistico di emulare la natura potrebbe portare a un vantaggio quantistico. Più in generale, ci sono molti problemi che sono troppo difficili o costosi anche per i supercomputer più avanzati, compresi quelli che sono molto importanti per la nostra società. L'informatica quantistica potrebbe non offrire soluzioni a tutti i problemi, ma solo ad alcuni.

Le tre aree applicative seguenti rappresentano gli obiettivi dell'informatica quantistica rumorosa, prima dell'implementazione della correzione degli errori quantistici e della tolleranza ai guasti.

Ottimizzazione
Simulare la natura
Trovare la struttura nei dati (compreso l'apprendimento automatico)

Discuteremo questi argomenti in modo più approfondito nel corso del corso.

Stato dell'arte della tecnologia

Costruire computer quantistici è una sfida tecnologica difficile, e sono solo 8 anni che piccoli computer quantistici sono disponibili al pubblico. In questi 8 anni abbiamo fatto progressi su molti fronti.

Numerosi processori quantistici IBM sono ora accessibili attraverso il cloud, tutti dotati di oltre 100 qubit. Ma non è solo la dimensione dei processori a essere importante: questa è solo una delle metriche che ci interessano. Anche la qualità dei gate è migliorata notevolmente e abbiamo introdotto metodi per ridurre e attenuare gli errori intrinseci ai sistemi quantistici, anche se ci spingiamo verso la creazione di sistemi tolleranti ai guasti. Tre metriche di base - scala, qualità e velocità - sono fondamentali per monitorare il miglioramento delle prestazioni.

della memoria. Ovviamente, più qubit ci sono, meglio è, ma solo se l'aumento del numero non compromette le prestazioni (cosa che può accadere). In realtà, vorremmo disporre di un numero maggiore di qubit di buona qualità che non interferiscano tra loro a causa del crosstalk quando non è auspicabile. Anche il modo in cui i qubit sono collegati tra loro è importante, e capire qual è il modo migliore per farlo rappresenta una sfida per i circuiti di qubit superconduttori.
Qualità. Un'altra metrica importante che osserviamo, per tenere traccia del miglioramento delle prestazioni nel tempo, è la fedeltà del gate a 2 qubit. Le porte che funzionano su singoli qubit non sono soggette a errori come le porte a 2 qubit, che sono quindi la preoccupazione maggiore. (Le porte a 2 qubit sono fondamentali anche perché sono responsabili della creazione dell'entanglement tra i qubit, che si ipotizza sia uno dei fenomeni fisici che conferiscono al calcolo quantistico la sua potenza) si ipotizza che sia uno dei fenomeni fisici che conferiscono all'informatica quantistica la sua potenza)
Velocità. L'ultima è la velocità e l'efficienza. In breve, il tempo di esecuzione di un programma (comprendente sia le parti quantistiche che quelle classiche) deve essere il più breve possibile classiche) deve essere il più breve possibile.

Conclusione

È davvero un momento entusiasmante per lavorare nel campo dell'informatica quantistica: per la prima volta nella storia possiamo iniziare a esplorare una regione dell'informatica che va oltre la computazione classica.

T.J. Watson una volta aveva notoriamente previsto un mercato mondiale per pochi computer. Ora possiamo ridere di quanto fosse fuori strada, ma nel farlo dobbiamo riconoscere che abbiamo il beneficio del senno di poi. E dovremmo anche riconoscere che, come esseri umani, abbiamo la tendenza generale a sottovalutare grossolanamente il potenziale delle tecnologie future. Ora che è il nostro turno e assumiamo il ruolo di primi pionieri dell'informatica quantistica, dovremmo tenerlo a mente.

L'informatica quantistica viene spesso contrapposta all'informatica classica, come qualcosa di nettamente diverso da essa e in concorrenza con essa. Ma da una prospettiva più ampia, possiamo considerare l'informatica quantistica semplicemente come un altro capitolo di una lunga storia. È nella nostra natura di esseri umani cercare nuovi modi di elaborare le informazioni e sfruttare l'energia che il mondo naturale ci offre per farlo. Lo facciamo da secoli. L'informatica quantistica ci offre un nuovo strumento in questo ambito e sta a noi scoprire come sfruttare al meglio le potenzialità che ci offre.

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