Le Prospettive Per I Computer Quantistici Da Scrivania, Discusse Da IDTechEx

Futuristic CPU. Quantum processor in the global computer network. 3d illustration of digital cyber space
I computer quantistici hanno il potenziale per affrontare problemi che i computer classici impiegherebbero trilioni di anni a risolvere. La maggior parte dei progetti di computer quantistici dipende dal raffreddamento dell'hardware a temperature estreme, ben al di sotto dei -200 gradi Celsius. Tuttavia, negli ultimi anni la tecnologia per il calcolo quantistico da tavolo ha iniziato a progredire.
 
I computer quantistici sono fantastici
 
I computer quantistici sono fantastici: sfruttano i fenomeni subatomici della sovrapposizione e dell'entanglement. La creazione di bit di informazione, 1 e 0, su scala quantistica porta a un vantaggio esponenziale nella potenza di calcolo. Tuttavia, i sistemi quantistici sono notoriamente suscettibili al rumore. Molteplici fonti di rumore possono ridurre l'accuratezza di un calcolo o addirittura distruggere completamente l'informazione quantistica.
 
Una delle fonti di rumore più impegnative da superare è il rumore termico. Per evitarlo, molti degli approcci hardware più diffusi sono raffreddati a temperature ultra-fredde. Ad esempio, i computer quantistici superconduttori richiedono pompe da vuoto e criostati specializzati. Queste apparecchiature sono costose, dipendono dall'elio e richiedono molto spazio, acqua ed energia.
 
Ad oggi, l'infrastruttura necessaria per raffreddare i computer quantistici ha creato una barriera per portare i computer quantistici sulle nostre scrivanie. Tuttavia, stanno emergendo nuovi approcci all'informatica quantistica, tra cui progetti fotonici e con difetti di diamante. La possibilità che queste tecnologie funzionino a temperatura ambiente potrebbe migliorare significativamente l'accessibilità all'informatica quantistica e, in ultima analisi, portare a un mercato più ampio.
 
I Qubit fotonici possono sopravvivere a temperature elevate
 
L'informatica quantistica su piattaforma fotonica utilizza la luce per formare qubit. Ciò può avvenire utilizzando lo stato di singoli fotoni (polarizzazione/schiacciamento) o gli stati quantici di fasci di fotoni (qumodes). I fotoni sono naturalmente più robusti al rumore termico e diverse aziende stanno producendo processori quantistici fotonici in fase iniziale che non necessitano di raffreddamento, come ad esempio QuiX. Sebbene l'hardware fotonico scalabile e versatile per il calcolo quantistico sia ancora lontano, sono già stati realizzati alcuni dispositivi specifici per le applicazioni. Tra questi, le macchine di ORCA in grado di campionare i bosoni nel time-bin, adatte all'apprendimento automatico e alla modellazione generativa.
 
Qubit fotonici. Fonte: IDTechEx
 
Tuttavia, la fotonica non è un approccio al calcolo quantistico privo di sfide. In alcuni casi, la rilevazione dei fotoni per leggere la soluzione di un algoritmo quantistico dipende ancora da sensori super-raffreddati. In altre parole, i qubit possono essere a temperatura ambiente, ma la tecnologia per rilevarli no. Inoltre, le sorgenti di luce entangled necessarie per i sistemi più avanzati richiedono un maggiore sviluppo - ad esempio, punti quantici specializzati o nanostrutture di semiconduttori. Inoltre, sebbene i fotoni siano meno influenzati dalle temperature calde, sono comunque soggetti a fuoriuscire dalle guide d'onda.
 
Detto questo, gli investimenti nell'informatica quantistica fotonica sono in aumento, superando i 500 milioni di dollari nel 2022. Molti dei requisiti per ottenere migliori sorgenti di fotoni e architetture meno rumorose sono stati affrontati, e l'ottimismo è alto sulla possibilità di un calcolo quantistico scalabile e versatile con questo metodo. Questo settore cerca di capitalizzare l'uso esistente delle fibre ottiche per le comunicazioni ad alta velocità e il crescente interesse governativo per la fotonica per la crittografia e la sicurezza informatica.
 
Le reticelle di diamante proteggono naturalmente i Qubit dal rumore
 
Il diamante ingegnerizzato è stato storicamente identificato per le sue applicazioni nel rilevamento quantistico, ma negli ultimi anni la ricerca si è evoluta verso l'informatica quantistica a temperatura ambiente e persino da tavolo. I diamanti con un difetto specifico possono formare sistemi quantistici a 2 stati e, quindi, qubit. Ad esempio, i centri di azoto-vacanza (NV) hanno stati di spin che possono essere utilizzati per rappresentare 1 e 0. La frequenza dell'emissione stimolata dei centri NV dipende da questo stato di spin e, per questo motivo, è possibile utilizzare microscopi a fluorescenza standard per leggere i risultati degli algoritmi. Poiché questi qubit sono naturalmente isolati dalle sorgenti di rumore nell'ambiente grazie ai reticoli di atomi di carbonio nei diamanti, sono buoni candidati per il calcolo quantistico a temperatura ambiente.
 
Qubit con difetti di diamante. Fonte: IDTechEx
 
In effetti, diverse aziende stanno già vendendo computer quantistici con difetti di diamante di dimensioni desktop. I centri di supercalcolo e le aziende aerospaziali hanno investito nella tecnologia del difetto di diamante di aziende come Quantum Brilliance e XeedQ. Tuttavia, il numero di qubit dimostrati utilizzando il difetto di diamante rimane a una sola cifra. È opinione diffusa che per fornire il massimo valore commerciale e soddisfare le esigenze delle tecniche di correzione degli errori siano necessari migliaia, se non milioni di qubit. Alcuni sviluppatori prevedono di dimostrare centinaia di qubit con difetto di diamante nei prossimi anni, ma c'è ancora molta ricerca da fare, soprattutto in termini di ottimizzazione dei processi di produzione del diamante ingegnerizzato.
 
Hype vs. realtà
 
Sebbene la creazione di computer quantistici da tavolo a temperatura ambiente sia teoricamente possibile, oggi la maggior parte degli sviluppatori di hardware per il calcolo quantistico si concentra sulla fornitura di sistemi per applicazioni industriali, tra cui i settori aerospaziale, finanziario e chimico. Tra questi vi sono molti dei leader nel campo dell'informatica quantistica fotonica e a difetti di diamante. Vi è un consenso generale sul fatto che i problemi di maggior valore che i computer quantistici risolveranno per primi saranno raggiunti attraverso modelli di accesso al cloud.
 
Tuttavia, non è da escludere un futuro con soluzioni a temperatura ambiente per il mercato di massa; la tecnologia fotonica è stata persino presentata al CES di quest'anno. Ci sono molti altri potenziali utenti al di fuori del settore farmaceutico e aerospaziale che potrebbero trarre vantaggio da una soluzione mobile e conveniente, soprattutto per l'edge-AI, l'elaborazione delle immagini e l'ottimizzazione della logistica in tempo reale. I produttori di veicoli autonomi e le catene di supermercati stanno già esplorando questo spazio applicativo quantistico. C'è persino una domanda di calcolo ad alte prestazioni nel difficile ambiente spaziale, ad esempio per elaborare le immagini degli strumenti astronomici montati sui satelliti.
 
Prospettiva
 
Anche se l'informatica quantistica potrebbe arrivare sulle scrivanie del mercato di massa, le soluzioni hardware classiche rimarranno dominanti almeno per i prossimi vent'anni. Nel frattempo, i computer quantistici a temperatura ambiente sono destinati a svolgere un ruolo di educazione all'informatica quantistica. In ultima analisi, questo servirà a facilitare la ricerca e a consentire l'adozione dei dispositivi più potenti e con un elevato numero di qubit sul cloud. Rimane ancora incerto quali saranno le tecnologie leader del mercato, con la fotonica e il diamante che competono con la superconduzione, gli ioni intrappolati, l'atomo neutro, la fotonica e persino il silicio. Tuttavia, secondo lo studio di ricerca di IDTechEx, il successo commerciale a lungo termine è più probabile per le soluzioni intrinsecamente scalabili, per le quali le modalità adatte ai desktop potrebbero avere un significativo vantaggio competitivo. Si prevede che il mercato dei computer quantistici aumenterà rapidamente con il progredire della tecnologia, con oltre 3.000 sistemi che potrebbero essere installati entro il 2043.
 
Per saperne di più sul rapporto IDTechEx "Informatica Quantistica 2023-2043" comprese le pagine campione scaricabili, visitate il sito www.IDTechEx.com/QuantumComputing.