The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
I contenuti di questo cilindro metallico potrebbero rivoluzionare la tecnologia, o rivelarsi completamente inutili. Tutto dipende da come riusciremo a sfruttare la strana fisica della materia su una scala molto, molto piccola. Per avere una anche minima possibilità di riuscirci, dobbiamo controllare attentamente l'ambiente: lo spessore del piano di lavoro protegge dalle vibrazioni dei passi, da ascensori nelle vicinanze. dall'apertura e chiusura delle porte. Il cilindro è una stanza vuota, priva di tutti i gas presenti nell'aria. All'interno della stanza vuota c'è un compartimento più piccolo, estremamente freddo, raggiungibile da sottili raggi laser. Dentro sono presenti particelle ultra sensibili,
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
che compongono un computer quantico. Ma cosa giustifica la corsa a queste particelle? In teoria, i computer quantici potrebbero superare i limiti computazionali dei classici computer. I computer classici elaborano le informazioni sotto forma di bit. Ogni bit può cambiare in due stati, chiamati zero e uno. Un computer quantico usa una cosa chiamata qubit, che può cambiare tra zero, uno, e quella che si chiama sovrapposizione. Mentre il qubit è nella sua sovrapposizione, ha molte più informazioni di uno o zero. Puoi pensare a quelle posizioni come punti su un sfera: i poli nord e sud della sfera rappresentano uno e zero. Un bit può cambiare solo tra questi due poli; ma quando un qubit è nella sua sovrapposizione, può essere in qualsiasi punto sulla sfera. Non possiamo localizzarlo esattamente. Nel momento in cui noi lo leggiamo, il qubit diventa zero o uno. Ma anche se non possiamo osservare il qubit nella sua sovrapposizione, possiamo manipolarlo per fargli eseguire, in quello stato, operazioni particolari.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
Quando un problema si complica, a un computer classico servono proporzionalmente più bit per risolverlo, mentre un computer quantico sarà in grado di gestire problemi sempre più complicati senza aumentare proporzionalmente i qubit, come un computer classico dovrebbe fare con i bit.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
Le proprietà uniche dei computer quantistici derivano dal comportamento delle particelle atomiche e subatomiche. Queste particelle hanno stati quantici, che corrispondono allo stato del qubit. Gli stati quantistici sono incredibilmente fragili, molto vulnerabili alla temperatura e alle fluttuazioni di pressione, ai campi elettromagnetici vaganti e alle collisioni con particelle vicine. Ecco perché i computer quantistici necessitano un allestimento elaborato. È anche il motivo per cui, per ora, il potere dei computer quantistici rimane in gran parte teorico. Possiamo controllare, a oggi, solo alcuni qubit nello stesso posto e nello stesso tempo.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
Sono due le componenti chiave coinvolte nella gestione efficiente di questi stati quantistici: i tipi di particelle che un computer quantico utilizza, e come manipola quelle particelle. Per ora, ci sono due approcci principali: gli ioni intrappolati e i qubit superconduttori.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
Un computer quantistico a ioni intrappolati utilizza gli ioni come particelle e li manipola con i laser. Gli ioni sono alloggiati in una trappola fatta di campi elettrici. Gli input del laser dicono agli ioni quale operazione deve essere effettuata causando allo stato qubit una rotazione sulla sfera. Per usare un esempio semplificato, i laser potrebbero inserire la domanda: quali sono i fattori primi di 15? In risposta, gli ioni possono rilasciare fotoni. Lo stato del qubit determina se lo ione emette fotoni e quanti fotoni emette. Un sistema di diagnostica delle immagini raccoglie questi fotoni e li elabora per rivelarne la risposta: tre e cinque.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
I computer quantistici a qubit superconduttori fanno la stessa cosa in modo diverso: utilizzando un chip con circuiti elettrici invece di una trappola ionica. Gli stati di ciascun circuito elettrico traducono lo stato del qubit. Possono essere manipolati con input elettrici in forma di microonde. Quindi, i qubit provengono da ioni o da circuiti elettrici, attivati da laser o microonde. Ogni approccio ha vantaggi e svantaggi. Gli ioni possono essere manipolati in modo molto preciso, e durano a lungo; ma più sono gli ioni aggiunti a una trappola, più difficile diventa controllarne ognuno con precisione. Al momento non possiamo catturare abbastanza ioni per fare calcoli avanzati, ma una possibile soluzione potrebbe essere il collegamento di trappole più piccole che comunicano tra loro attraverso i fotoni, piuttosto che cercare di creare una unica grande trappola. I circuiti superconduttori, invece, operano molto più velocemente degli ioni intrappolati, ed è più facile aumentare il numero di circuiti in un computer che non il numero degli ioni. Ma i circuiti sono anche più fragili e hanno una durata complessiva più breve.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
E mentre i computer quantistici avanzano, saranno ancora soggetti ai vincoli ambientali necessari a preservare gli stati quantistici. Ma nonostante tutti questi ostacoli, siamo già riusciti a fare calcoli in un regno impossibile da osservare e a cui accedere.