processori quantici fotonici

Processori quantici fotonici, la nuova frontiera della capacitÓ di calcolo

Sfruttare le proprietÓ della luce infrarossa per costruire un nuovo tipo di processore quantico fotonico: la sfida dei computer quantistici passa dai qumode
Processori quantici fotonici, la nuova frontiera della capacitÓ di calcolo FASTWEB S.p.A.

La costruzione di un computer quantistico parte prima di tutto dalla ricerca del materiale più adatto per le sue componenti hardware. Una ricerca che è tutt'ora aperta, anzi rappresenta una delle sfide più difficili per gli scienziati. Tra i candidati per la progettazione dei processori quantici ce n'è uno nuovo: la luce infrarossa. I ricercatori della startup di computer quantistici Xanadu, con base a Toronto in Canada, ha realizzato due computer quantici fotonici sfruttando proprio le proprietà dei raggi laser infrarossi.

Utilizzare raggi laser piuttosto che materiali superconduttori apre a un nuovo modo di pensare il computer quantistico, che è molto diverso da quello a cui ci stiamo abituando in questi anni. Niente qubit per l'architettura del chip della startup canadese, ma fasci di luce laser infrarossa che trasportano le informazioni "rimbalzando" su un chip al silicio. Come un "abaco" quantistico, il computer elabora complessi algoritmi contando il numero di fotoni nei raggi laser riflessi piuttosto che le perline di legno, rivelandosi così più veloce nel calcolo rispetto a un convenzionale PC.

Xanadu ha già messo a disposizione dei ricercatori di laboratori governativi, istituzioni e multinazionali due dispositivi basati sulla nuova tecnologia, che offre un ulteriore vantaggio: basandosi su luce infrarossa, può essere facilmente collegata all'esistente infrastruttura internet in fibra ottica. Il processore quantico fotonico rappresenta quindi la nuova frontiera della capacità di calcolo, ma soprattutto un dispositivo in grado di collegarsi alla rete e agli altri PC nel mondo anche in attesa dello sviluppo del futuro Internet quantistico.

Un "abaco" quantistico a raggi laser infrarossi

processore quantico fotonico

Il funzionamento dei computer quantistici di Xanadu è diverso dagli altri prototipi in circolazione. Proprio come nell'abaco si utilizzano le perline di legno impilate in dei fili per eseguire calcoli aritmetici, come addizioni e sottrazioni, il computer quantistico fotonico utilizza fasci laser di luce infrarossa che vengono proiettati su un chip di silicio per contare i fotoni e svolgere complessi calcoli matematici.

Se quindi nell'abaco le perline di legno vengono mosse seguendo una serie di regole e il risultato finale sarà dato dal numero di perline su ognuna delle righe, nel processore quantico fotonico un set di 8 o 12 fasci laser infrarossi vengono riflessi, combinati e fatti interagire in modo controllato seguendo le regole della meccanica quantistica. Il risultato finale sarà il conteggio del numero di fotoni in ogni fascio dopo aver svolto complessi calcoli, che secondo gli esperti verrebbero eseguiti più velocemente rispetto a quelli svolti da un computer "normale".  

Dai qubit al qumode per il processore quantico fotonico

processore quantico fotonico

Proprio come i bit, dove 0 e 1 rappresentano le informazioni, i qubit sono considerati le unità fondamentali dei computer quantistici e trasportano le informazioni non con una semplice combinazione binaria di 0 e 1, ma dalla sovrapposizione di stati: come una moneta che continua a ruotare nell'aria e che ha la stessa probabilità di essere testa o croce allo stesso momento. Il computer progettato dalla startup canadese non si basa però su un'architettura a qubit, ma sulle proprietà della luce, che quindi potrà assumere anche valori diversi tra loro, a seconda dall'intensità del raggio luminoso e dalla durata per cui viene emesso inizialmente.

Utilizzando i fotoni come unità fondamentale per trasportare le informazioni, quello che si ottiene è un'architettura del processore quantico fotonico basata sul "quantum mode" (chiamato anche "qumode") che è caratterizzata da un sistema a variabile continua. I dispositivi così realizzati da Xanadu rappresentano un approccio totalmente innovativo al calcolo quantistico e le potenzialità di questa tecnologia possono essere molte, anche grazie alla varietà dei prototipi che si possono realizzare. Se infatti la startup utilizza i fasci laser nello spettro infrarosso, altri ricercatori utilizzano lunghezze d'onda diverse, come le microonde.

Il funzionamento si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo cui, ad esempio, non è possibile conoscere con assoluta precisione, nello stesso momento, la velocità e la posizione di un fotone. Questo significa che misurando la velocità del fotone, perderemo le tracce della sua posizione, e viceversa.

Per eseguire i calcoli sul numero di fotoni in ciascun raggio laser, viene utilizzata dagli sviluppatori dei dispositivi Xanadu la tecnica chiamata "squeezing", che controlla quali proprietà della luce sono incerte. Ciò implica che il numero di fotoni viene calcolato solo quando li si osserva, cioè quando si inizia a contarli, ma fino a quel momento il numero di particelle trasportate dal raggio laser resta indefinito.

Processori quantici fotonici, vantaggi e limiti

processore quantico fotonico

Come ogni nuova tecnologia che si rispetti, i computer quantici fotonici di Xanadu presentano vantaggi e limiti. Uno dei principali vantaggi nella costruzione di un pc quantistico basato su qumode è che può essere facilmente collegato utilizzando le convenzionali fibre ottiche, le stesse che costituiscono gran parte dell'attuale infrastruttura di comunicazione planetaria. Una caratteristica che semplifica, e non poco, uno dei principali problemi nella diffusione dei computer quantistici, cioè la creazione da zero di un Internet quantistico che riesca a collegare i dispositivi sparsi in tutto il mondo.

Altro aspetto importante, è che questo tipo di computer offerto dalla startup canadese sarebbero in grado di funzionare anche a temperatura ambiente, contro le temperature bassissime necessarie al corretto funzionamento di un pc quantistico basato su qubit e realizzato con materiali superconduttori.

Non mancano però limiti e difetti anche per i promettenti processori quantici fotonici. Al momento i due dispositivi di Xanadu sono programmati per eseguire solo un insieme specifico di algoritmi, quindi sono ancora lontani dalla costruzione di un computer quantistico universale, che sia in grado di risolvere un'ampia classe di problemi matematici.

Computer quantistici alla portata di tutti

processore quantico fotonico

Al momento i due computer quantistici messi in rete da Xanadu possono essere utilizzati da chiunque ne chieda l'accesso, con priorità riservata ai ricercatori dei laboratori governativi, le corporation multinazionali e le istituzioni. Oltre 250 persone hanno già richiesto l'accesso e una volta accordato, riceveranno un token digitale per connettersi attraverso la piattaforma software Strawberry Fields

I dispositivi offerti nel cloud dalla startup canadese rappresentano solo un primo passo nell'era del quantum computing e il processore quantico fotonico è appena all'inizio del suo percorso, ma già alla portata di tutti. Un assaggio dell'informatica quantistica che ci attende e che è sempre più vicina.

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