D-Wave: il Computer quantico

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Cos’è, come funziona, a cosa serve e quali sono le obiezioni della comunità scientifica. Il super-computer realizzato da D-Wave alla lente d’ingrandimento

Il nome, già di per sé, incute un certo timore. Il computer quantico – o quantistico – non sembra proprio quel genere di apparecchio che troverai al supermercato o nelle migliori catene di elettronica. Evoca piuttosto qualcosa di fantascientifico, degno solo delle migliori menti del Pianeta. E in effetti dando un’occhiata al curriculum di Geordie Rose, il papà del primo computer quantico mai uscito da un laboratorio, vien da pensare che sì, questa è in effetti materia da scienziati e cervelloni fuori dal comune.
Quarant’anni, canadese figlio di due docenti universitari dell’Ontario, Rose è un ex dottorando dell’Università della British Columbia folgorato sulla via di Damasco dalla lettura di Explorations in Quantum Computing, probabilmente il primo libro nel quale si teorizza il funzionamento di un computer quantico. Da quella rivelazione sono passati circa 15 anni.
Rose è diventato nel frattempo il fondatore di D-Wave, la prima società ad aver annunciato un computer quantico, attirando su di sé le attenzioni di tutti principali colossi del Pianeta, Google e Amazon compresi.
Doveroso, arrivati a questo punto, provare a tirare le fila di un progetto che secondo Rose e i suoi proseliti cambierà il mondo dell’informatica (e non solo) ma che secondo i suoi detrattori resta solo una promessa, se non addirittura un bluff.

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COS’È
Di fatto un computer quantico è un super-computer, ovvero un computer creato per risolvere elaborazioni complesse in tempi molto rapidi. Il suo funzionamento è però sostanzialmente differente da quello di un computer classico. Mentre quest’ultimo lavora su una sequenza di bit o cifre binarie (1 o 0), accendendo o spegnendo i chip all’interno dei transistor miliardi di volte al secondo, il computer quantico si basa sul qubit o quantum bit, un vettore che oltre ad ammettere i due stati classici della teoria binaria (l’uno e lo zero, appunto) può essere contemporaneamente l’uno e l’altro. Per chiarire il concetto, si potrebbe paragonare il bit classico a una moneta che, una volta lanciata, cadrà a terra mostrando inesorabilmente una delle due facce, mentre il qubit è una moneta un po’ particolare che, una volta lanciata, cadrà a terra continuando a ruotare su sé stessa senza arrestarsi; questo almeno fino a che qualcuno non la schiacci con una mano bloccandone la rotazione e obbligandola finalmente a mostrare una delle sue facce. Perché tutto ciò è importante? Perché grazie a questa “ambiguità” un qubit è in grado di contenere un numero di informazioni decisamente maggiore rispetto alla controparte tradizionale. Elaborando più problemi contemporaneamente.

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COME FUNZIONA
Per avere un’idea di come opera un computer quantico è bene ricorrere a un’altra metafora; paragonando un problema a un paesaggio montano, fatto di picchi e valli, nel quale l’altezza rappresenta l’energia, o il costo, della soluzione. Quando eseguiamo un’istruzione su un computer classico è come se lanciassimo un sasso verso un’area di questo tipo aspettando che si fermi nel punto più basso possibile: la soluzione appunto. Il problema di questo approccio – spiega però Clive Thompson su Wired – è che gli algoritmi utilizzati dai computer tradizionali spesso non sono in grado di vedere oltre il picco della montagna, bloccandosi in una valle che non è realmente quella più bassa. Il computer quantico nasce proprio per superare questa limitazione. Sfruttando un principio denominato quantum annealing, un chip di qubit è come se scavasse un tunnel fra le montagne anziché scalarle, trovando prima e in modo più sicuro il punto più basso.

COME SI PRESENTA
Visto da fuori un computer quantico è un box nero grande quanto uno sgabuzzino con all’interno una griglia composta da centinaia di piccoli anelli di niobio (un metallo molto duttile) che fungono da processore per i qubits. Affinché tutto funzioni correttamente, un computer quantico deve mantenere una temperatura interna di una frazione di grado al di sopra dello zero assoluto (-273.15 gradi Celsius), praticamente 150 volte più freddo dello spazio interstellare. E deve operare in assenza di vibrazioni e di qualsiasi altro stato che possa influenzare lo stato quantico del processore. Per questo motivo, I primi esemplari di computer quantico realizzati da D-Wave sono raffreddati ad elio e dispongono di alcuni dischi in rame che provvedono alla disspazione del calore e alla schermatura dalle interferenze elettro magnetiche.

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A CHI PUÒ SERVIRE
Come detto in apertura, un computer quantico può essere utile per risolvere alcune particolari categorie di elaborazioni complesse. Lo sono, ad esempio, i cosiddetti “problemi di ottimizzazione”, calcoli pieni zeppi di vincoli che di norma si effettuano quando occorre trovare la soluzione migliore fra una serie molto articolata di alternative: il percorso più breve fra una serie di destinazioni disponibili, ad esempio, o il posto più indicato per effettuare una trivellazione, un algoritmo per effettuare valutazioni su svariate operazioni di trading in tempo reale. Non è un caso che i primi veri clienti di D-Wave si chiamino Nasa, Google e Lockeed Martin, realtà che ogni giorno si ritrovano a confrontarsi con problemi di questo tipo. Google per esempio, starebbe testando utilizzando un modello quantico per affinare un sistema di riconoscimento che permetta ai Google Glass di comprendere quando chi li indossa strizza l’occhio di proposito per scattare una foto in automatico.

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QUANTO COSTA
Allo stato attuale, un computer quantico costa circa 10 milioni di dollari, centesimo più, centesimo meno. Ma il mercato è praticamente inesistente. Esiste un solo produttore – D-Wave – e pochi facoltosi acquirenti disposti a rischiare investimenti nell’ordine del milione di dollari nella speranza di trovare soluzioni a problematiche così complesse che un computer tradizionale non sarebbe mai in grado di svolgere. Nemmeno in centinaia di anni.

PERCHÈ LA SCIENZA RIMANE SCETTICA
Se le teorie sui computer quantici sono largamente condivise, i risultati raggiunti dai primi supercomputer prodotti da D-Wave non convincono tutti. Lo scorso anno, Matthias Troyer, docente dell’Università ETH di Zurigo, ha condotto uno studio per valutare le velocità del computer Quantico installato da D-Wave presso Lockeed Martin a confronto con quella offerta da normali PC desktop. Con risultati che sembrerebbero smontare in buona parte le convinzioni di Geordie Rose e di tutti i fan del progetto D-Wave: a parte un piccolo sottoinsieme di problemi, il computer quantico ha infatti mostrato prestazioni paragonabili a quelle di un comune computer Intel. Un’altra ricerca pubblicata dal professore Umesh Vazirani dell’Università di Berkeley in California, giunge alla conclusione che il comportamento all’interno dei black-box di D-Wave può essere in realtà descritto da un modello computazionale classico e non propriamente quantico. Come dire che siamo ancora nel campo delle promesse se non delle illusioni.

Geordie Rose ovviamente getta acqua sul fuoco. E spiega che questi test sono stati condotti su problemi di basso livello complessità, laddove il computer quantico non è in grado di fare la differenza. Il dibattito, insomma, è più aperto che mai. L’impressione è che soltanto l’utilizzo diffuso della tecnologia (se mai ce ne sarà uno) ci dirà quanto vale effettivamente il progetto.

D-wave Two, il computer quantistico poco quantistico

Pubblicizzato e venduto come il primo computer quantistico, il dispositivo DW2 non ha mostrato una delle proprietà che dovrebbero caratterizzare macchine del genere, ovvero il quantum speed-up, la capacità di svolgere rapidamente calcoli molto lunghi complessi.
Lo rivela un test indipendente in cui DW2 è stato confrontato con un computer ordinario.
Il D-wave commercializzato tre anni fa come il primo computer quantistico tra lo scetticismo generale, non supera la prova dei fatti.
La sua capacità di calcolo, testata da Matthias Troyer, fisico dell’Istituto federale svizzero di tecnologia (ETH) di Zurigo, e colleghi, autori di un articolo apparso su “Science”, non sembra avere il quantum speed-up, cioè la potenza che dovrebbe consentire ai computer quantistici di non entrare in crisi via via che aumenta la complessità dei calcoli da svolgere.
Per decenni, l’aumento della potenza dei computer è andato di pari passo con la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, un fenomeno codificato empiricamente nella Legge di Moore: la densità dei transistor su un microchip e la relatività velocità di calcolo raddoppiavano ogni 18 mesi circa.

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D-wave Two, il computer quantistico poco quantistico
Fiumi di bit: nell’affrontare calcoli estremamente complessi, i computer quantistici dovrebbero prevalere nettamente su quelli classici (© Curi Hyvrard/Corbis)
La miniaturizzazione dei componenti, però, non può procedere all’infinito, e in effetti si è fermata alle soglie del mondo microscopico, governato dalle leggi della meccanica quantistica. Con una felice intuizione dei teorici della computer science, la meccanica quantistica, da limite che era, è stata trasformata in un’opportunità grazie a cui realizzare una macchina per il calcolo automatico caratterizzata da una potenza di calcolo che farebbe impallidire quella dei computer convenzionali: il computer quantistico.

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Al posto dei convenzionali bit, le unità d’informazione binaria, indicate convenzionalmente dalle cifre 0 e 1, e codificate dai due stati “aperto” e “chiuso” di un interruttore, nel computer quantistico si usano i qubit, codificati dallo stato quantistico di una particella o di un atomo. Lo spin di una particella per esempio, ha due orientamenti o stati “su” e giù” che possono codificare le informazioni binarie. A rendere interessante ai fini del calcolo le particelle atomiche e subatomiche è il fatto che possono esistere anche in una sovrapposizione di stati quantistici, ampliando enormemente le possibilità di codifica delle informazioni e quindi le possibilità di affrontare problemi estremamente complessi.

Tuttavia, né la manipolazione controllata di atomi e particelle né la loro reciproca comunicazione né infine la stesura di algoritmi adatti allo scopo sono obiettivi facili da raggiungere nel calcolo quantistico. Per questo motivo, la lunga strada per la realizzazione di un computer quantistico è solo agli inizi.

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D-wave Two, il computer quantistico poco quantistico
Il processore a qubit prodotto da D-Waves oggetto dello studio (Cortesia D-Waves)
In questo contesto, nel 2011 ha generato entusiasmo ma anche dubbi l’annuncio da parte di D-Wave Systems, una start-up con sede a Burnaby, in Canada, di aver messo sul mercato il primo computer quantistico, con un certo successo nelle vendite, tenuto conto che colossi dell’industria aeronautica come Lockheed Martin e il motore di ricerca Google hanno acquistato alcune di queste macchine avveniristiche. Nella prima versione, ciascuna di queste macchine costa 10 milioni di dollari ma, secondo D-Wave, è 35.000 volte più veloce di un computer ordinario, come risultato da alcuni test.
Proprio sul valore della velocità raggiunta dal computer di D-Wave, nonché sul fatto che si tratti effettivamente di un computer quantistico, si concentravano i dubbi dei più scettici, ma finora mancava un test indipendente in grado di dirimere la questione.packaged_chip
Troyer e colleghi non hanno semplicemente messo a confronto il computer di D-Wave con un computer ordinario ma ha misurato un parametro fondamentale per un computer quantistico: come aumenta il tempo per risolvere un problema via via che aumentano le dimensioni del problema stesso.
L’idea dietro a questa verifica è che una delle peculiarità di un computer quantistico è la sua velocità estremamente più elevata rispetto a un computer ordinario nel risolvere i problemi più complessi. In sostanza, quando la dimensione del problema aumenta, il tempo richiesto per risolverlo dovrebbe essere di gran lunga inferiore a quello richiesto da un computer basato su circuiti al silicio. Questa proprietà è chiamata quantum speed-up.
Per il test, Troyer e colleghi hanno realizzato alcuni algoritmi di test che andassero bene su entrambi i tipi di macchine, in modo da avere una rigorosa equiparazione del compito computistico, e li hanno fatti “girare” sia su D-wave Two (DW2), un dispositivo a 503-qubit prodotto da D-Wave, sia su dispositivi ordinari.
Il risultato è stato perentorio: non è emersa alcuna prova di quantum speed-up da parte del dispositivo di D-wave, almeno per la classe di problemi utilizzati nel test. Ciò significa, come sottolineato dagli stessi autori, che non è escluso che per altre classi di problemi computistici il quantum speed-up si possa evidenziare: è una questione delicata.

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