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What Quantum Computing Isn’t | Scott Aaronson | TEDxDresden


Traduttore: Christoph Sträter Revisore: Claire Ghyselen
Grazie mille!
Studio le capacità e anche i limiti dei computer quantistici.
Mi piace definirlo lo studio di ciò che non possiamo fare
anche con computer che non abbiamo.
(Risata)
Di conseguenza, a volte mi viene chiesto dalla persona accanto a me sull’aereo:
“Cos’è questo computer quantico?”
Dico: “Beh, è ​​un nuovo tipo di computer proposto
quello sfrutterà la meccanica quantistica. “
Quindi dicono: “Ma perché?”
“Beh, sai, la meccanica quantistica è una sorta di sistema operativo di base
che il resto della fisica funziona come programmi applicativi.
Non è cambiato affatto dagli anni ’20.
Dovremmo, pensiamo, permetterci di risolvere alcuni problemi in modo drammaticamente più veloce
di quanto sappiamo come risolverli con i computer di oggi. “
Allora dicono “Beh, perché la meccanica quantistica ti permette di risolvere le cose più velocemente?”
Sai, è possibile spiegarlo a un pubblico laico.
Lo è sicuramente.
L’unico problema è che una volta che hai iniziato davvero a spiegarlo,
da allora l’aereo è già atterrato.
(Risata)
Quindi, non è una sorpresa
quello per più di venti anni,
quasi ogni articolo popolare che sia mai stato scritto su questo argomento
ha preso una facile via d’uscita.
Ha descritto i computer quantistici in modi che sembrano interessanti
ma sono solo tipo di sbagliato.
Le persone riconoscono correttamente, penso, quanto sia importante questo
per il futuro della scienza e della tecnologia.
Ma è, purtroppo, uno degli argomenti più spopolarizzati della scienza.
Sono stato felice quando sono stato invitato qui, a Dresda,
in particolare per parlare di ciò che non è il calcolo quantico.
La prima cosa che non è, credo, è qualunque cosa sia.
(Risata)
Quando esegui una ricerca di immagini Google per computer quantistici,
questa è una delle prime cose che emergono.
Sono un teorico, non lavoro in un laboratorio,
ma non penso che sia quello che sembrano.
Ok, più al punto.
La gente dice: “Beh, quantum significa piccolo,
quindi quante volte più piccolo è un computer quantico rispetto ai computer di oggi? “
Oppure, “Dovrebbe essere più veloce, quindi quante volte è più veloce?”
Un computer quantico non è solo una versione più piccola o più veloce dei computer di oggi.
Rappresenta un modo fondamentalmente nuovo di sfruttare la natura per fare calcoli.
Per alcuni problemi –
sommando numeri, simulando il tempo –
un computer quantistico può aiutarti poco o per niente.
Per altri problemi, un computer quantico potrebbe fare cose in pochi secondi
che, per quanto ne sappiamo,
prenderebbe qualsiasi computer esistente più lungo dell’età dell’universo.
Tutto si riduce a asintoti.
Quali sono i famosi esempi
di problemi in cui un computer quantico ti dà questi enormi speed-up?
Uno di loro sta simulando la meccanica quantistica stessa.
Nessuna sorpresa che un computer quantistico ti aiuti lì!
Ma penso che se ne costruiamo effettivamente uno
potrebbe essere in realtà l’applicazione economica più importante.
Perché è utile per progettare nuovi farmaci,
progettazione di superconduttori ad alta temperatura,
progettare materiali nani, celle solari migliori, ogni genere di cose.
La seconda applicazione famosa è quella di un computer quantistico
può trovare efficientemente i fattori primi di un enorme intero positivo.
A chi importa?
Bene, questo e alcuni problemi correlati
ti permetterebbe di rompere quasi tutta la crittografia
che usiamo per proteggere i nostri dati online.
Ogni volta che il tuo browser web ha quella piccola icona del lucchetto,
stai usando qualcosa che un computer quantistico potrebbe rompere.
(Risata)
Ci sono altri codici che non sappiamo come rompere nemmeno con un computer quantistico,
ma quelli non sono per lo più quelli che usiamo oggi.
Quindi, se vuoi calcolare un numero ad una cifra,
i migliori algoritmi che conosciamo con i computer classici
usa un numero di passi che aumenta esponenzialmente con n.
Un esponenziale è una funzione come questa, 2 all’ennesima potenza,
che tipo di spara e si allontana dallo scivolo, fuori dall’edificio.
(Risata)
Ma moltiplicare due numeri a n cifre è molto più semplice.
Il tuo computer può farlo usando solo circa n passi al quadrato,
o, se sei più intelligente, anche vicino a un numero lineare di passi.
Ciò che un computer quantico farebbe è mettere il factoring in quella classe facile.
Quindi, anche il factoring richiederebbe solo passi n-quadrati per un numero di n cifre.
Quindi il vantaggio rispetto a un computer classico non è un fattore fisso
ma diventa sempre più enorme man mano che vai a numeri sempre più grandi
fino a quando non c’è paragone.
Come ho già indicato,
un computer quantico non è un proiettile magico che risolve tutti i problemi all’istante.
Dipende dal problema
Nell’informatica ci piace organizzare i problemi in una sorta di zoo.
In fondo, abbiamo P. Che sta per tempo polinomiale.
Sai, i fisici danno nomi molto migliori –
quark, buco nero – ma ignoralo.
(Risata)
P è fondamentalmente tutti i problemi che sono risolvibili in modo efficiente
da un normale computer digitale, come quello in tasca.
NP sta per tempo polinomiale non deterministico.
Questo è l’insieme di tutti i problemi
per cui un computer digitale potrebbe almeno rapidamente riconoscere una risposta
quando ne viene dato uno.
Ma trovare la risposta potrebbe richiedere una ricerca astronomica.
P include la maggior parte di ciò che facciamo con i nostri computer:
moltiplicando, ordinando, cercando indicazioni con Google Maps.
NP ha molte, molte cose che ci piacerebbe fare,
in particolare questi problemi NP-completi, che sono i problemi più difficili in NP,
e questo include quasi tutto, come l’ottimizzazione industriale,
finanza, cercando di prevedere il mercato azionario,
cercando di ottimizzare un programma di compagnie aeree o giocare a Sudoku.
Uno dei grandi problemi irrisolti della matematica in questo secolo
è dimostrare formalmente che NP è più grande di P.
Se fossimo fisici, avremmo chiamato questa legge della natura.
Ma ciò che i fisici chiamano una legge, noi in matematica dobbiamo chiamare una congettura.
Ora, BQP sta per tempo polinomiale quantico di errore limitato.
Questa è la classe di tutti i problemi
che sono efficientemente risolvibili da un computer quantistico,
la generalizzazione quantistica di P.
L’ho disegnato con questo contorno ondulato
perché tutto “quantico” è spettrale e strano.
(Risata)
La grande sorpresa è stata che BQP contiene alcuni problemi, come il factoring,
problemi speciali che non sono né conosciuti né creduti di essere in P.
Come puoi vedere anche da questa immagine,
Non è noto né si ritiene che BQP contenga i problemi NP-completi.
Possiamo dimostrare che non è così? Beh no.
Non possiamo nemmeno provare che P non li contenga.
Ma ciò richiederebbe un algoritmo quantistico
radicalmente diverso da tutti quelli che conosciamo.
Per problemi NP-completi,
i computer quantistici sembrano darti dei vantaggi,
come un tipo di vantaggio di radice quadrata, ma probabilmente non esponenziale.
Anche i computer quantistici hanno dei limiti.
Ma da dove vengono questi limiti?
Se leggi quasi qualsiasi articolo popolare su questo argomento, dirà qualcosa del tipo:
“A differenza di un computer classico,
che deve solo provare ogni risposta possibile, uno per uno,
un computer quantico li prova tutti in parallelo,
in diversi universi paralleli. “
(Risata)
Sembra piuttosto potente, giusto?
Sembra proprio che creerebbe problemi completi NP
o qualsiasi altra cosa.
Il problema è che non è così semplice.
Ed ecco qual è il problema:
In meccanica quantistica, puoi creare abbastanza facilmente
ciò che chiamiamo una sovrapposizione quantistica
su tutte le possibili risposte al tuo problema
anche se ci sono astronomicamente molti di loro.
Il problema è se vuoi che sia utile,
ad un certo punto devi osservare il tuo computer per leggere una risposta.
E se misuri solo la sovrapposizione di risposte senza aver fatto altro
le leggi della meccanica quantistica dicono
che quello che vedrai sarà una risposta casuale.
Se volessi una risposta casuale,
allora avresti potuto sceglierne uno, con meno problemi.
(Risata)
Quando le persone lo sentono, dicono: “Oh, bene, allora deve essere
che il computer quantico sta solo provando una soluzione o l’altra,
e semplicemente non sappiamo che finché non guardiamo. “
Se hai mai sentito parlare del gatto di Schrodinger:
“Oh, è in una sovrapposizione di stati vivi e morti nella scatola
finché non apri la scatola e guardi.
Poi collassa all’uno o all’altro. “
Qualunque bambino di dieci anni che sente che sta per chiedere immediatamente:
“Bene, perché non è solo un modo elegante e pomposo di dire,
“Il gatto è vivo o è morto, e tu non sai quale,
quindi apri la scatola e guardi, e poi sai ‘? “
Allora qual è il grosso problema della meccanica quantistica?
Bene, non è così semplice.
La cosa centrale che la meccanica quantistica dice del mondo
è che se hai un oggetto che può essere in due diversi stati distinguibili,
può anche essere in quella che chiamiamo sovrapposizione di quegli stati.
Una sovrapposizione significa che assegno un numero chiamato ampiezza,
a ogni possibile stato.
Nella vita di tutti i giorni, potremmo parlare della probabilità che qualcosa accada.
Ma una probabilità è sempre un numero reale da 0 a 1.
Non c’è mai una probabilità negativa del 30% di pioggia domani, è semplicemente stupido.
Ma le ampiezze possono essere positive o negative,
infatti, possono persino essere numeri complessi.
Tutto il resto sorge da questo.
Nel famoso esperimento con doppia fenditura,
hai un fotone che potrebbe raggiungere un certo punto su uno schermo
in due modi diversi.
Ma uno di questi modi contribuisce ad un’ampiezza positiva,
e l’altro modo contribuisce ad un’ampiezza negativa.
E il risultato è che interferiscono in modo distruttivo e si annullano a vicenda
in modo che il fotone non sia mai visto lì.
Le ampiezze sono usate per determinare la probabilità
che vedrai qualcosa quando guardi,
ma quando non guardi, possono interferire.
Con un calcolo quantico, l’obiettivo è sempre quello di coreografare le cose
così che per ogni risposta sbagliata,
alcuni dei percorsi che portano lì hanno ampiezza positiva
e altri hanno un’ampiezza negativa quindi si annullano a vicenda,
considerando che i percorsi che portano alla risposta giusta dovrebbero rafforzare,
tutti hanno lo stesso segno,
e quando misuri, la risposta giusta sarà vista con alta probabilità.
Questo è lo strano martello che la meccanica quantistica ci dà
e l’obiettivo dei teorici dell’informatica quantistica
è fondamentalmente per capire quali chiodi possono colpire.
Informatica quantistica, come probabilmente avrai già acquisito,
non è solo una parola d’ordine casuale
da aggiungere come condimento a qualunque sia la tua idea di startup tecnologica.
Aiuta molto con certe cose e meno con gli altri.
Capire quale è stata una sfida affascinante.
L’altra cosa che il calcolo quantico non è è che non è fantascienza.
Quindi quello che ho mostrato qui è un chip
che è stato recentemente costruito da un gruppo su Google.
Questo ha un sacco di interazioni di alta qualità,
bit quantistici superconduttori o “qubit”:
sistemi che possono essere in una sovrapposizione di stati che rappresentano 0 e 1.
Il chip attuale di Google ha circa 22 qubit.
Ma dicono che entro il prossimo anno hanno in programma di scalare fino a 49 qubit.
E ci sono altri gruppi a Innsbruck, in Austria,
e IBM nel Maryland,
che hanno sforzi paralleli con tutti i tipi di piattaforme fisiche.
Ora, 50 cubiti probabilmente non è ancora abbastanza per fare qualcosa di utile.
Ma dovrebbe essere abbastanza, pensiamo,
fare qualcosa che almeno è classicamente difficile.
Quindi, già tra qualche anno, potremo ottenere ciò che penso
come l’applicazione numero uno del calcolo quantico,
che è giusto per confutare le persone che dicono che è impossibile.
(Risata)
Ora, potrebbe essere impossibile per una ragione profonda che nessuno ha ancora capito?
Certo, ma in un certo senso, questa è la possibilità più eccitante.
Perché questa è la possibilità
ciò significa che dobbiamo riscrivere tutti i libri di testo di fisica.
A questo punto,
Penso che quell’idea, sì, alla fine, con abbastanza soldi e sforzi
potresti costruire un computer quantistico e funzionerà come dice questa teoria
e dare enormi accelerazioni per certe cose,
questa è la noiosa possibilità conservatrice.
Questo è quello che non richiede
cambiare ciò che già crediamo nella fisica.
Quindi, abbraccia il futuro!
Di solito non sono un grande fan
di questi slogan con cui tutti sono d’accordo.
(Risata)
Vengo qui dagli Stati Uniti.
Non so se qualcuno di voi ha letto le notizie per l’ultimo anno o giù di lì.
Non tutti negli Stati Uniti hanno totalmente abbracciato il futuro,
che è un po ‘un peccato.
(Risata)
(Applausi)
Mi dispiace per quello,
(Risata)
ma penso che dovremmo abbracciare il futuro.
Ma se vogliamo farlo, penso che un primo passo cruciale
è quello di apprendere e riportare con precisione ciò che è già noto nel presente.
Grazie.
(Applausi)
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