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Microsoft: il computer quantistico è il futuro

Secondo il ceo di Microsoft Satya Nadella il computer quantistico è il futuro. Per questo ha investito in quest’area facendo del calcolo quantistico uno dei tre pilastri della strategia di Microsoft.

Insieme all’intelligenza artificiale e alla realtà mista/aumentata, è un’area in cui Nadella crede che Microsoft possa avere un impatto significativo.

Ma costruire un computer quantistico è difficile. L’attuale progresso di Microsoft è il risultato di oltre vent’anni di investimenti nella ricerca, lavorando con le università di tutto il mondo, mescolando fisica pura con l’informatica e trasformando le idee sperimentali in prodotti.

L’approccio di Microsoft all’informatica quantistica differisce dalle tecnologie utilizzate da aziende come DWave, adottando un nuovo approccio alla creazione dei qubit, i bit quantistici al centro del processo.

Lavorando con ricercatori universitari, Microsoft ha esplorato l’ uso di un nuovo tipo di particella, il fermione di Majorana. Inizialmente proposto alla fine degli anni 30, le particelle di maggioranMajorana a sono state rilevate solo recentemente in nanoidi semiconduttori a temperature molto basse.

Rispetto ad altri approcci qubit, le particelle di Majorana utilizzate dai computer quantistici di Microsoft sono più stabili e hanno tassi di errore più bassi, distribuendo lo stato dell’elettrone su un nodo topologico che ha meno probabilità di evaporare quando si legge il suo stato.

Questo approccio topologico al calcolo quantistico è qualcosa che Nadella definisce «un momento a transistor per i computer quantistici»: potrebbe non essere il processore quantistico, ma è il primo passo su quella strada.

Nei datacenter servono basse temperature

Lavorare con un computer quantistico è molto diverso dalle macchine che usiamo oggi. Un bit 1 e 0 sono sostituiti da un qubit con una sfocatura statistica di elettroni frazionati che ha bisogno di interpretazione.

Con temperature di qubit prossime allo zero assoluto, un altro computer specializzato a bassa temperatura (criogenico) è usato per programmare i qubit e leggere i risultati, lavorando con algoritmi quantistici per risolvere problemi complessi e promettendo risposte quasi istantanee a problemi che potrebbero richiedere migliaia, o addirittura milioni di anni con un supercomputer moderno.

Si può pensare alla relazione tra il controller criogenico e i programmi che funzionano sul computer quantistico a bassissima temperatura come qualcosa di simile a come i subacquei lavorano su piattaforme petrolifere sottomarine. Il computer quantistico è la testa del pozzo, isolato dal resto del mondo. Questo rende il computer di controllo criogenico l’equivalente della campana di immersione pressurizzata di un subacqueo, dando ai programmi un trampolino di lancio tra le temperature normali del mondo esterno e il freddo estremo del frigorifero quantistico, tanto come il modo in cui una campana da immersione prepara i subacquei a lavorare a profondità estreme.

È improbabile che i computer quantistici di Microsoft non funzionino nei datacenter odierni. Richiedono frigoriferi specializzati per raffreddare i qubit, che sono costruiti a partire da nanowires accuratamente coltivati. Il consorzio di università di Microsoft può produrre ogni parte separatamente, riunendole per fornire l’ attuale generazione di sistemi di test.

Microsoft intende incorporare il suo hardware quantistico in Azure, eseguendo un simulatore per aiutare a testare il codice quantistico prima di essere distribuito ai computer quantistici reali. La società sta anche lavorando su un nuovo linguaggio per aiutare gli sviluppatori a scrivere codice quantistico in Visual Studio.

La simulazione di Liquid

Microsoft Research ha già fornito un primo taglio a un ambiente di programmazione quantistica in Liqui|> (di solito chiamato Liquid), un insieme di strumenti per simulare un ambiente a 30qubit su un pc con 32Gb di memoria.

Microsoft dice che saremo in grado di distribuire grandi simulatori quantistici con più di 40 qubit in 16 Tb su Azure, anche se risolvere problemi di tale dimensione ci vorrà molto tempo senza l’ accelerazione di un computer quantistico reale. Ancora, con Liquid, puoi sperimentare i concetti chiave del calcolo quantistico usando F#, vedendo come costruire algoritmi per gestire concetti matematici complessi e capire come lavorare con algoritmi di correzione degli errori a basso livello.

Il nuovo linguaggio di calcolo quantistico di Microsoft si baserà sulle lezioni apprese con Liquid, ma non sarà basato su F#. Il nome della lingua non è ancora stato rivelato, ma alcune delle prime schermate del codice quantistico in fase di modifica in Visual Studio sono apparse utilizzare la stessa estensione del classico Quick Basic.

Krysta Svore, leader del gruppo di calcolo Redmond Quantum di Microsoft Research, lavora sulla costruzione del lato software del computer quantistico scalabile progettato da Microsoft. Si tratta di un aspetto affascinante del progetto, che prende gli algoritmi quantistici a basso livello necessari per lavorare con hardware sperimentale e trovare modi per generarli da linguaggi di alto livello familiari. Se il team di Svore avrà successo, non ci sarà bisogno di sapere del computer quantistico che si sta programmando: si scriverà il codice, lo si pubblicherà su  Azure e lo si lancerà.

Molti algoritmi quantistici sono ibridi, mescolano il preprocesso e la post-elaborazione con le azioni quantistiche, spesso utilizzandoli come parte di loop eseguiti in un supercomputer classico.

C’ è anche un ruolo per le tecniche di intelligenza artificiale, utilizzando l’ apprendimento automatico per identificare gli elementi di codice, capire dove e come funzionano meglio.

Gli sviluppatori che sperimentano con Liquid saranno in grado di portare le loro applicazioni alla nuova piattaforma, con strumenti di migrazione per l’aiuto nella transizione. Utilizzare il simulatore quantistico basato su Azure dovrebbe aiutare, perché supporta molti più qubit rispetto al pc. Inoltre, sarà possibile esplorare la possibilità di lavorare con il parallelismo basato sull’ esecuzione, in cui si eseguono più passaggi sugli stessi dati.

Quando si considera un’operazione a 80 qubit, si può capire cosa questo significhi per il calcolo. Svore nota che una singola operazione in un computer quantistico richiede 100ns, non importa quanti qubit si hanno.