Dentro un computer quantistico superconduttivo è un volume introduttivo e divulgativo dedicato ai principi fisici e ingegneristici che rendono possibile la realizzazione di un qubit superconduttivo. Il testo accompagna progressivamente il lettore dall’elettronica classica alla computazione quantistica, mostrando come componenti familiari quali condensatori, induttori e circuiti risonanti possano diventare, quando vengono portati nel regime quantistico, gli elementi di base per la costruzione di sistemi artificiali capaci di rappresentare ed elaborare informazione quantistica. Il percorso prende avvio dal circuito LC e dal concetto di oscillatore armonico, per introdurre successivamente la quantizzazione dell’energia e la struttura a livelli dell’oscillatore quantistico. Viene quindi analizzato il limite fondamentale dell’oscillatore armonico come possibile qubit, determinato dall’equidistanza dei suoi livelli energetici, e viene introdotta la giunzione Josephson quale elemento non lineare in grado di produrre l’anarmonicità necessaria alla selezione delle transizioni quantistiche. La trattazione conduce quindi alla struttura e al funzionamento del transmon, illustrando il ruolo della capacità di shunt, dell’energia di carica e dell’energia Josephson e il compromesso progettuale tra riduzione della sensibilità al rumore di carica e conservazione di una sufficiente anarmonicità. I due livelli energetici inferiori del transmon vengono infine interpretati come spazio computazionale del qubit, descrivendo il ruolo degli impulsi a microonde nel controllo coerente degli stati e il problema delle transizioni indesiderate verso i livelli superiori. Il volume adotta un approccio prevalentemente discorsivo e concettuale, limitando il formalismo matematico e accompagnando la trattazione con illustrazioni e schemi scientifici originali. L’obiettivo è rendere comprensibile la continuità esistente tra elettronica classica, superconduttività, meccanica quantistica e ingegneria dei qubit, offrendo al lettore una visione organica del percorso che conduce da un semplice circuito elettrico a un qubit superconduttivo controllabile.
Dentro un computer quantistico superconduttivo è un volume introduttivo e divulgativo dedicato ai principi fisici e ingegneristici che rendono possibile la realizzazione di un qubit superconduttivo. Il testo accompagna progressivamente il lettore dall’elettronica classica alla computazione quantistica, mostrando come componenti familiari quali condensatori, induttori e circuiti risonanti possano diventare, quando vengono portati nel regime quantistico, gli elementi di base per la costruzione di sistemi artificiali capaci di rappresentare ed elaborare informazione quantistica. Il percorso prende avvio dal circuito LC e dal concetto di oscillatore armonico, per introdurre successivamente la quantizzazione dell’energia e la struttura a livelli dell’oscillatore quantistico. Viene quindi analizzato il limite fondamentale dell’oscillatore armonico come possibile qubit, determinato dall’equidistanza dei suoi livelli energetici, e viene introdotta la giunzione Josephson quale elemento non lineare in grado di produrre l’anarmonicità necessaria alla selezione delle transizioni quantistiche. La trattazione conduce quindi alla struttura e al funzionamento del transmon, illustrando il ruolo della capacità di shunt, dell’energia di carica e dell’energia Josephson e il compromesso progettuale tra riduzione della sensibilità al rumore di carica e conservazione di una sufficiente anarmonicità. I due livelli energetici inferiori del transmon vengono infine interpretati come spazio computazionale del qubit, descrivendo il ruolo degli impulsi a microonde nel controllo coerente degli stati e il problema delle transizioni indesiderate verso i livelli superiori. Il volume adotta un approccio prevalentemente discorsivo e concettuale, limitando il formalismo matematico e accompagnando la trattazione con illustrazioni e schemi scientifici originali. L’obiettivo è rendere comprensibile la continuità esistente tra elettronica classica, superconduttività, meccanica quantistica e ingegneria dei qubit, offrendo al lettore una visione organica del percorso che conduce da un semplice circuito elettrico a un qubit superconduttivo controllabile.
La meccanica quantistica è una delle più grandi conquiste intellettuali del xx secolo. Le sue leggiregolano il mondo atomico e subatomico e si riverberano su una miriade di fenomeni del mondomacroscopico, dalla formazione dei cristalli alla superconduttività, dalle proprietà dei fluidi a bassatemperatura agli spettri di emissione di una candela che brucia o di una supernova che esplode, daimeccanismi di combustione della fornace solare ai principi di base delle nanotecnologie. Non c’èquasi nulla nel mondo che ci circonda su cui non soffi l’alito delle leggi quantistiche. Tuttavia, per come è usualmente presentata nei libri di testo, la meccanica quantistica è sostanzialmenteun’insieme di regole per calcolare le distribuzioni di probabilità dei risultati di qualunqueesperimento (nel dominio di validità della meccanica quantistica). In quanto tale, non ci forniscedirettamente una descrizione della realtà. Una descrizione della realtà, cioè un’ ontologia, dovrebbedirci che cosa c’è nel mondo e come si comporta, quali sono i processi che si realizzano a livellomicroscopico e, di conseguenza, fornirci una spiegazione del formalismo quantistico.
Questo lavoro esamina le applicazioni del quantum computing in data science, riformulando problemi di ottimizzazione e machine learning attraverso un formalismo ibrido quantistico-classico. Innanzitutto, vengono presentati i concetti fondamentali della meccanica quantistica, limitando lo studio all’area di interesse del quantum computing ma allo stesso tempo impostando il contesto matematico in modo rigoroso. Dopodiche, attraverso una panoramica dell’hardware presente ad oggi e di quello atteso per il futuro prossimo, e con l’esaminazione dei problemi legati al rumore e al ridotto numero di qubit disponibili nei dispositivi quantistici moderni, si motiva il bisogno di un approccio ibrido per risolvere problemi complessi, che permetta ad hardware classico e quantistico di lavorare sinergicamente. Lo scopo di questo lavoro e quello di presentare strategie per modellare problemi di ottimizzazione e supervised e reinforcement learning in modo da far lavorare una Quantum Processing Unit sulle parti degli algoritmi computazionalmente piu costose. Vengono discussi sia i benefici sia gli svantaggi: i primi sono strettamente legati alla scelta di un modello di computazione nuovo, dal quale ci si aspetta l’esecuzione di operazioni classicamente intrattabili e lo sfruttamento della velocita intrinseca dei sistemi quantistici di raggiungere il ground state; i secondi derivano principalmente dalle attuali limitazioni ingegneristiche che non permettono un controllo efficiente di sistemi quantistici a larga scala. Vengono esaminati quattro casi di studio: un problema di classificazione di immagini auto-costruite attraverso un algoritmo di Support Vector Machine, il quale sfrutta funzioni che portano i dati dallo spazio di input allo spazio degli stati quantistici, construendo cosi un kernel quantum-enhanced; un problema di reinforcement learning, formulato come Quadratic Unconstrained Binary Optimisation (QUBO), con lo scopo di trovare una strategia vincente per il gioco del Blackjack usando dati auto-simulati; il Number Partitioning Problem, formulato come QUBO, che rappresenta lo scenario piu complesso dal punto di vista della connettivita dei qubit e, per grandi istanze, e capace di raggiungere la complessita di problemi reali; infine, il problema del limited-assets Markowitz portfolio optimisation, riscritto come QUBO, al fine di implementare un’euristica quantum-inspired che possa sormontare la complessita del problema al crescere della dimensione dell’input. Nel corso di questo lavoro sono stati analizzati sia l’approccio di computazione universale gate-model, sia quello di adiabatic quantum computing, con particolare attenzione verso quest’ultimo attraverso la maggior parte dei casi di studio. Per uno di questi, il Number Partitioning Problem, e stato sfruttato l’accesso in cloud ad un quantum annealer, che ha permesso uno studio completo delle capacita di tale macchina, in grado di risolvere tra i problemi piu complessi che i quantum computer moderni possano affrontare. Infine, non solo questo lavoro valuta l’accuratezza e la qualita delle soluzioni dei problemi esaminati, ma si concentra anche sul paragone tra strategie quantistiche e classiche, evidenziando le differenze e i benefici che un approccio quantistico o ibrido quantistico-classico puo portare nella risoluzione di problemi di ottimizzazione e machine learning, specialmente con l’eventuale disponibilita, nel futuro prossimo, di dispositivi a piu larga scala.
Come tutte le grandi scoperte, il computer quantistico nasce da un'idea visionaria. Nel caso specifico, l'idea fu avanzata dal premio Nobel Richard P. Feynman che in uno dei suoi più famosi articoli lo suggerì come una possibile soluzione al problema: `Can physics be simulated by a universal computer?'. In questo articolo, racconteremo l'evoluzione della ricerca teorica e sperimentale in quell'area che oggi è nota come `computazione quantistica', dall'idea di Feynman ai nostri giorni, descrivendo i risultati ottenuti sia nell'ambito della realizzazione fisica del computer quantistico, sia riguardo ad aspetti più prettamente informatici relativi alla teoria della calcolabilità e degli algoritmi e complessità.
SOMMARIO. Esistono fenomeni fisici come la decoerenza, il rumore, la misura effettuata nel mezzo del processo computazionale, che difficilmente possono essere interpretati attraverso il paradigma quantistico standard. In un processo computazionale, una qualsiasi interazione del sistema con l’ambiente causa un’inevitabile perdita di informazione che rende il processo stesso irreversibile. Per tener conto di situazioni di questo tipo, la computazione quantistica ha recentemente adottato un nuovo approccio che si spinge oltre a quello standard. Lo scopo di questo articolo `e quello di riassumere in maniera descrittiva (evitando di entrare in dettagli tecnici) i caratteri principali di questo nuovo approccio e analizzarne qualche possibile applicazione.
Gli organismi viventi, dal punto di vista termodinamico, sono simili a dei sistemi aperti, che operano lontano dall’equilibrio. Infatti, i processi metabolici della vita si basano su continui flussi interni e scambi di energia, materia e informazioni degli organismi con l’ambiente circostante. Ad un livello fisico più profondo, tuttavia, questi scambi sono mediati da oscillazioni quantistiche ondulatorie che comprendono, ad esempio: oscillazioni meccaniche, elettromagnetiche, nucleari e termiche. Anche il vuoto, secondo la Teoria Quantistica dei Campi (Quantum Field Theory – QFT), è sede di inarrestabili fluttuazioni quantistiche. Alla luce di questo, è ragionevole sostenere che gli organismi viventi sono sistemi aperti lontani non solo dall’equilibrio termodinamico, ma anche dall’equilibrio quantistico. Questo determina ed influenza anche i diversi livelli di coscienza degli organismi viventi. L’articolo propone un modello della coscienza degli organismi viventi, basato su un approccio più ampio rispetto a quello della Meccanica Quantistica e della QFT: questo nuovo approccio si propone infatti di considerare i processi della coscienza, oltre l’equilibrio quantistico, caratteristica fondamentale della vita. Il modello di coscienza proposto fa leva sulla teoria di de Broglie-Bohm che ha portato alla definizione del campo e potenziale quantistico: in particolare, la coscienza viene definita come un campo quantistico, il cui potenziale associato viene elaborato dall’organismo vivente, come informazione attiva. In analogia con il campo quantistico della teoria di de Broglie-Bohm per la materia inanimata, anche il campo quantistico della coscienza della materia vivente non ha sorgenti e la sua forma o curvatura ha più importanza fisica dell’ampiezza: in particolare, si propone che tale curvatura sia associata a condensazioni dei bosoni di Nambu Goldstone (come previsto dalla QFT) a seguito di rotture di simmetria di tale campo.
L’emergenza, fornendo una nuova suggestiva chiave di lettura di fenomeni collettivi che sono osservati in numerosi sistemi, puo essere considerata uno dei concetti piu importanti della scienza contemporanea. In natura ci sono svariati stati emergenti, come i superconduttori, che sono caratterizzati da un nuovo tipo di ordine, di proprieta che permettono di analizzare i processi di organizzazione dei loro costituenti elementari. Alla luce del fenomeno della superconduttivita si puo sostenere che la teoria quantistica dei campi, struttura matematica fondamentale in grado di fornire la sintassi della fisica teorica contemporanea, non ha una realta ontologica primaria ma funziona proprio a causa dell’universalita emergente della superconduttivita, in virtu dell’esistenza di fenomeni di organizzazione collettiva all’interno dei sistemi fisici.