Intel, il calcolo quantistico passa per gli spin qubit

16 Febbraio 2018 36

Intel è da tempo impegnata in programmi di ricerca sul calcolo quantistico, considerato essere la soluzione ideale per accelerare i progressi scientifici nel campo della chimica, della farmacologia, della modellistica finanziaria e delle previsioni climatiche. Lo sforzo attuato da Intel e dai suoi partner di ricerca è incentrato sul tentativo di sviluppare un sistema di calcolo quantistico che sia “commercialmente valido”, come affermato dalla stessa azienda americana.

Proprio per questo motivo lo studio di questa materia prevede l’analisi di più soluzioni tra loro alternative, considerando il fatto che siamo “al primo miglio di una maratona”, ovvero ancora alla fase iniziale dell’intera ricerca. Sono tanti i problemi che devono essere risolti affinché le soluzioni implementate possano essere immesse sul mercato, inclusa la forma dei processori quantistici, noti anche con il termine qubit.

Un primo filone di ricerca condotto da Intel riguarda allora i qubit superconduttori: l’azienda sta lavorando per sviluppare questa tipologia di chip test, così come stanno già facendo altre realtà nel campo dell’industria e dell’università. In alternativa, la stessa Intel sta investendo tempo e risorse sullo sviluppo di un'altra struttura, basandosi sul know-how acquisito nel tempo nella produzione di transistor al silicio. In questo caso parliamo di spin qubit, processori quantistici che funzionano con il silicio e che possono potenzialmente permettere di superare alcuni ostacoli scientifici “per portare il calcolo quantistico dalla ricerca alla realtà”.

Si tratta di una soluzione che ricorda da vicino l’elettronica e i transistor che già utilizziamo da tempo: come spiegato da Intel, “essi offrono lo loro potenza quantistica facendo leva sullo spin di un singolo elettrone su un dispositivo di silicio e controllando il movimento con piccoli impulsi a micro-onde”.

“Gli elettroni possono ruotare in diverse direzioni”, viene specificato nella nota dell’azienda. “Quando l'elettrone gira, i dati assumono il valore binario 1 e 0 Ma, analogamente a come funzionano i qubit superconduttori, questi elettroni possono anche esistere in una "sovrapposizione", il che significa che hanno la probabilità di girare in un modo o nell’altro contemporaneamente e, così facendo, possono teoricamente elaborare enormi serie di dati in parallelo, molto più velocemente di un computer classico”.

I qubit sono tuttavia estremamente fragili, in quanto anche un piccolo rumore o una loro osservazione non intenzionale può portare alla perdita dei dati. Per questo motivo i qubit devono lavorare a temperature molto basse (si parla di 20 millikelvin), elemento che genera problematiche in merito al design e ai materiali da utilizzare nel chip per farlo funzionare a dovere. I qubit superconduttori sono di grandi dimensioni e necessitano - per operare - di sistemi della dimensione di bidoni da 55 galloni (quasi 210 litri). Per questo motivo risulta essere alquanto difficoltoso adattare il design del sistema quantistico ai milioni di qubit necessari per la creazione di un vero e proprio sistema commerciale.

Viceversa, gli spin qubit offrono vantaggi che consentono di superare alcuni dei problemi che insorgono con i qubit superconduttori, a partire dalla loro dimensione ridotta ed alla resistenza. In questo modo la scalabilità non è più un problema insormontabile. In più, gli spin qubit possono funzionare a temperature più elevate, pari a 1 Kelvin (decisamente superiore rispetto ai 20 millikelvin di cui sopra). A tal proposito, Intel sta collaborando con QuTech per lo sviluppo di questa soluzione che permette di integrare l’elettronica di controllo molto più vicino al processore, e a quanto pare i primi risultati ne confermano la fattibilità.


Nel corso dell’American Association for the Advancement of Science Annual Meeting, QuTech presenterà la sua soluzione di un chip quantistico basato su due spin qubit, capace di essere programmata per eseguire due semplici algoritmi quantistici. Si tratta di un punto di partenza, che può in futuro portare alla realizzazione di analoghi processori di dimensioni più grandi in grado di svolgere operazioni più complesse. Infine, va citato come Intel abbia implementato un processo di produzione degli spin qubit con processo a 300mm “utilizzando wafer isotopicamente puri originariamente creati per la produzione di chip test spin qubit”. Entro un paio di mesi verranno prodotti diversi wafer alla settimana, ciascuno dei quali con migliaia di piccoli array di qubit.

Intel ha garantito che, in collaborazione con QuTech, proseguirà l’attività di ricerca anche sui qubit superconduttori al fine di implementare la soluzione commercialmente più efficace.

Spin qubit con fabbricazione a 300mm

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Commenti

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Livio Marani

300mm? Millimetri? Sicuri? O nanometri?

WOPR

Ma solo quando accendo io la TV danno programmi insulsi...Discovery su Sky?
Posso chiederti se ricordi il nome del programma che magari lo trovo in replica?

Federico

E' sempre una questione di time to market, il primo che arriva su un nuovo tipo di prodotto o di tipologia ci pianta la propria bandiera sopra, stabilisce le regole, prende e consolida i primi clienti... e poi gli altri possono piangere quanto vogliono.
Quando la ricerca applicata nel campo del calcolo quantistico ebbe inizio si credeva che i risultati sarebbero giunti entro un decennio e non esisteva, all'epoca, alcuna possibilità di simulazione perchè le soluzioni ad elevatissimo parallelismo semplicemente non esistevano e la legge di Moore sembrava destinata a fallire sotto l'impossibilità di aumentare oltre un certo limite le frequenze di clock e quindi la potenza di calcolo.
Adesso di anni ne sono passati venti invece dei dieci previsti, sul fronte delle macchine fisiche sono ancora al "si potrebbe fare così" e sul quello della simulazione... beh, su quello non si sa con certezza perchè l'unica cosa che si conosce sono i qbit supportabili dalla rete Azure pubblica (e condivisa fra migliaia di utenze concorrenti) ma nessuno ha idea delle stringhe raggiunte dai supercomputer dedicati delle varie Agenzie.
E' più che possibile che le risorse di calcolo di NSA & Co. siano già in grado di applicare l'algoritmo di Shor su chiavi di cifra di lunghezza significativa.

Marco Seregni

Un passo alla volta Gesù ha iniziato con 12 apostoli e guarda che è successo poi D:

Marco Seregni

Che roba è una combinazione lineare? Non mi pare si studi alle superiori ... Non bastava citare il paradosso di Schrödinger?

scasti

Bravo! Hai capito dov'è il problema! Ed é talmente grande che ancora non è risolto: Cosa vuol dire osservatore? Potrebbe essere "l'asse della coscienza" come lo definisci tu. Facciamo un caso semplice: Vogliamo misurare lo spin di un elettrone, é comodo perché può assumere solo due valori (é un discorso sempre legato a trovare la soluzione dell'equazione di Schrodinger). Può essere solo +1/2 o -1/2 e ti posso assicurare che esistono gli strumenti per farlo, basta far passare l'elettrone attraverso un campo magnetico. Quindi il ricercatore fa l'esperimento, la funzione d'onda collassa su +1/2 ad esempio, e noi misuriamo +1/2. Eppure é tramite il campo magnetico che fa la misura. Quindi cos'è il ricercatore o il fotone del campo che interagisce con l'elettrone a determinare il collasso? Nessuno lo sa. E questo é uno dei motivi per cui realizzare un computer quantistico é così difficile: Non possiamo avere la certezza che mentre il qubit sta "contando" in qualche modo non venga osservato e quindi collassi prima del tempo.

scasti

Beh ma ho cercato di essere il più vago possibile infatti. Alla fine se uno sa cos'è una funzione e una combinazione lineare può seguire il ragionamento...la matematica che c'è dietro non è per nulla complicata

Rozzo

Quindi aggiungere ad un sistema quantistico l'asse della coscienza (losservatore?) Creo l'evento?

Gios

Il punto fondamentale che hai centrato è l'ultimo capoverso: time to market.
Dando ogni possibile vantaggio alla soluzione quantistica fisica rispetto a quella simulata la seconda giungerà per prima con prodotti commerciali.
Gli utili derivanti dalla vendita dei secondi generano fondi extra per il loro sviluppo facendo da volano per ulteriori sviluppi e migliorie.

Insomma per quando giungerà una soluzione fisica commerciale REALE e non termica la differenza di prestazioni potrebbe essere irrisoria.

Molti fisici, chimici e teorici o matematici si dimenticano che i modelli sono bellissimi ma spesso, soprattutto per il livello tecnologico a cui siamo altamente fuorvianti. Io sono al lavoro sul grafene a livello di processi produttivi, mi sporco le mani con la fisica e l chimica vere, non quelle da simulatore, i risultati sono molto molto molto lontani da quelli previsti a tal punto che la conduttività del grafene cvd non si discosta motlo da quella del rame.......

Con i computer quantistici sto vedendo le stesse scene e lo stesso mondo ma con molto "truffatori" scientifici che scuciono assegni a 6 zeri per finanziamenti promettendo risultati in un paio di anni.....da 4 anni....

Per farti ridere ti posso dire che ho visto 4 ingegneri (che non hanno mai visto un laboratorio se non in foto) che progettavano un mos posizionando con il simulatore in modo perfetto 30 atomi per fare il canale.......e sbandieravano le simulazioni come se fossero la Bibbia; quando gli ho spiegato che il dispositivo avrebbe potuto avere 15 o 45 atomi in quella zona e sopratutto neanche lontanamente disposti in modo lineare sono rimasti a bocca aperta.
Questi sono l'esempio delle storture prodotte da alcune università, persone che hanno in mano uno strumento ma non hanno la minima idea di cosa significhino i dati che ne escano fuori e non hanno un giudizio critico.

Federico

Quello lo devi dire a lui, con me sfindi una porta aperta :)
La puntata precedente è una accesa discussione fra me e lui duurata un'intera serata.
Il punto centrale è che il calcolo quantistico ha un costo computazionale unitario per la parte quantistica vera e propria, ma non è unitario nel complesso perchè viene poi usato dalla parte algoritmica che essendo tradizionale avrò sempre un costo computazionale non unitario.
Ne deriva che per quanto veloce sia l'elaboratore quantistico nel suo complesso, non essendo unitaria la sua velocità complessiva, sarà sempre ipotizzabile una alternativa algoritmica che la simuli.
Diverso sarebbe se l'elaboratore potesse essere totalmente quantistico, cosa ovviamente impossibile.
Altro vantahggio della simulazione è che il risultato dell'elaborazione è immediatamente utilizzabile, mantre l'implementazione fisica richiede più reiterazioni per migliorare il risultato, e questo innalza ulteriormente il costo computazionale compessivo fornendo un altro vantaggio alla simulazione.

Se la computazione quantistica simulata arriverà a livelli commercialmente sfruttabili prima di quella fisica (e pare che ci arriverà) per questi baracconi che funzionano in azoto liquido sarà finita.

Federico

E secondo te ci ha capito qualcosa? :)

scasti

Se vuoi provo a spiegartelo molto velocemente da un punto di vista scientifico. Esiste un modo particolare di esprimere l'energia di un sistema detta Hemiltoniana. La quantistica si basa sulla matematica degli operatori: presa una qualsiasi funzione applicando un operatore trovi un'altra funzione. La cosa interessante é che esistono delle funzioni tali per cui se gli applichi l'operatore ottieni la funzione stessa moltiplicata per un numero. Avrai sentito parlare dell'equazione di Schrodinger. Ti basti sapere che la soluzione dell'equazione prende il nome di stato o funzione d'onda. Applicando l'operatore Hamiltoniano a tale 'stato' ottieni lo stesso stato moltiplicato per la sua energia e per diverse energie avrai diversi stati quindi diverse soluzioni. Il problema é che anche per una stessa energia puoi avere più funzioni che sono soluzione dell'equazione di schrodinger ma non solo, qualunque sia il modo in cui le combini tra loro quello che trovi é ancora soluzione dell'equazione. Per cui puoi combinarle linearmente e i coefficienti della combinazione lineare determinano la probabilità che la particella, descritta da quel "pacchetto d'onda", ha di trovarsi in quella particolare "funzione d'onda". Quando tu osservi fai collassare tutti i possibili stati in quello che stai osservando, per questo quando osservi "perturbi" il sistema.

Gios

Posso dirti che al momento il silicio cresce così in fretta che i vantaggi attuali del computer quantistico si stanno riducendo notevolmente.
Da tante parti i tecnologi "fisici ed ingengeri di processo" accettano i fondi ma sono dubbiosi circa i vantaggi che offriranno in termini reali e non ideali rispetto alla crescita delle soluzioni su silicio.

Che ne dicano il problema rimane la scalabilità

Gios

L'interazione tra un osservatore macroscopico ed un elemento "quantistico" perturba il secondo per dirla in modo semplice e comprensibile.

Stefano Scelzi

Quasi 0 assoluto

Tito73

Ho visto un documentario di Discovery il processore deve lavorare a bassissime temperature se non erro...

jonathan

Ricordi l esperimento delle due fenditure? In un qualche modo, correggetemi se sbaglio, la luce può essere particella, onda o entrambi, io vedo che sono entrambi, ma se vado fisicamente a vedere una delle due fenditure io non vedrò più il doppio stato contemporaneo ma ne vedrò solo uno, usando il gatto, quello è vivo e morto contemporaneamente fino a quando vado io fisicamente a a sollevare la scatola, in un qualche modo ho perturbato il sistema e questo perde il suo stato più importante,questo quindi comporta perdita dei dati immediata, basta un disturbo, almeno io lo avevo capito così

TheDukeMB

Credo, ma non sono sicuro perché non è specificato, che sia dovuto al fatto che la misurazione degli stati di spin porti alla loro modifica, per cui le misurazioni devono essere in un qualche modo temporizzate o sincronizzate, una qualsiasi "interferenza" farebbe cambiare gli spin in modo casuale perdendo così il dato (qbit).

Rozzo

Non ho capito il discorso "osservazione" come perturberebbe i dati?

Federico

Comunque la proprosta di scrivere articoli sulla materia resta sempre valida, a conoscerla siete in due e dei due tu sei l'unico a non essere monomaniaco :)

B!G Ph4Rm4

Boh non lo so probabilmente andrei di solitario ;)

Uscendo dalla profana metafora direi che comunque occorre concentrarsi sulla realizzazione di sistemi completi e premere l'acceleratore su quello

Giulk since 71'

Ci vorrà ovviamente un dissipatore quantistico :P

Alessandro

Basterà il dissipatore stock o bisogna comprarne uno custom? XD

Federico

Assolutamente sì, la soluzione fisica sarà sempre interi ordini di grandezza più veloce di quella emulata.
Però se io ti metto su un'isola deserta con una bambola gonfiabile alla fine ti rompi le scatole di tirarti i rasponi e ti trombi la bambola.

B!G Ph4Rm4

Si ma è come farsi una ch1avata con una bambola gonfiabile e dire che è meglio lei perchè più facile di una donna in carne ed ossa ;)

L'emulazione non si avvicina neanche lontanamente a quello che permettono sistemi quantistici autentici, potrà essere una pezza per alcuni lavori, ma siamo su due campi da gioco diversi

Federico

Toh, Big sta cedendo! :)
I vantaggi per il momento sono che quello emulato lo accendi e funziona, mentre per quello fisico ancora non c'è niente da accendere :)

B!G Ph4Rm4

Forse quello in emulazione ma per definizione non porta i vantaggi che porta un autentico sistema quantistico

Federico

Assolutamente d'accordo e difatti c'è un gran fermento sugli algoritmi di cifra in grado di resistere agli attacchi quantistici (e agli attacchi in grado di sbananare gli algoritmi nati per resistere, ovviamente).
Però... ti ricordi il nostro vecchio discorso? arriverà prima il calcolatore fisico o quello in emulazione?

B!G Ph4Rm4

E' vero, il punto è che lo sviluppo di calcolatori quantistici è imprescindibile per lo sviluppo futuro, e in un modo o nell'altro tireranno fuori qualcosa di utilizzabile per i vari ambiti

Federico

Assolutamente si, ma fino ad ora nessuno ha imbroccato una via in grado di avere molti qbit utili (parecchi e ne vanno in ridondanza) a temperature anche solo accettabili.
Ovviamente è tutto entusiasmante, ma fiono ad ora si è vista solo tecnologia bona per i laboratori

B!G Ph4Rm4

Che quasi tutti quelli esistenti sono inutilizzabili all'atto pratico

B!G Ph4Rm4

Tutt'altro, parliamo di decenni probabilmente, ma le premesse sono impressionanti

Federico

Sta nel ffatto che per essere utili di qbit ne servono almeno 2048, e devono essere stabili

Tizio Caio

Ma la novità dove sta? Ormai stanno creando anche processori a 16 qbit

Federico

Eh, ti stavo giusto per citare in un post :)
Molto figo, ma mi sa tanto che la via fisica per questa roba tutto è tranne che dietro l'angolo

B!G Ph4Rm4

Molto fico

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