La Logistica del Computer Quantistico e l'Informatica Relativa

Notizie da giornali e siti web riportato sempre più enfaticamente i successi relativi a computer quantistici. È pertanto naturale porsi delle domante circa questi computer, su come essi operano, su dove sono fisicamente, su cosa serve alla loro gestione. Anzi, è doveroso porsi domande, poiché i titoli delle notizie possono indurre ad intenderli come “supercomputer” effettivamente esistenti, capaci di risolvere in pochi secondi dei problemi di calcolo che i computer classici impiegherebbero millenni a processare. Questo lavoro propone quindi una review degli attuali Computer Quantistici, con particolare riguardo, ove possibile, alla relativa logistica. Nel panorama dell’Informatica Quantistica, si intende approfondire come potrà essere il futuro delle infrastrutture ad essi legate e quali saranno i sistemi base di algoritmi relativi al Calcolo Quantistico. In definitiva, si cercherà di comprendere quale sarà la futura logistica, intesa come nuova «arte del computare». Particolare attenzione verrà data al vantaggio quantistico, la strategia di medio termine relativa alla progettazione di algoritmi per le prossime generazioni di computer quantistici. Tali algoritmi sono richiesti da un ventaglio di applicazioni strategiche. Attualmente sono principalmente algoritmi di simulazione di fisica e chimica quantistica. Si illustreranno due metodi di calcolo: quello  basato sulla computazione quantistica abiabatica, che si ottiene attraverso il quantum annealing (sistemi D-Wave), e quello che utilizza le porte quantistiche (sistemi IBM, Google ed altri).  Si vedranno, con maggiore dettaglio, le simulazioni basate sul metodo del Variational Quantum Eigensolver. Alcune nozioni relative ai qubit, alle porte quantistiche ed alle hamiltoniane ad esse legate verranno proposte.  Oltre a parlare di qubit, si parlerà di qumode. L’arte del computare quantistico ha infatti due facce, quella basata sul qubit e quella basata sul qumode. Il quantum computer Borealis di Xanadu è capace di sviluppare un sistema ibrido, con qubit di tipo GKP insieme a luce squeezed. Verrà inoltre menzionato il primo desktop a tre qubits di SpinQ.

Contenuti: La Logistica - Le notizie - IBM Quantum Experience - Il computer quantistico universale – Glossary - Feynman (1981) – Benioff and the computer as a physical system (1979) – Propagatori - L’era NISQ e la cifratura - Not the whole field - Qubit - Sfera di Block - Algebra con uno o due qubit - Gli stati di Bell – Entanglement - Operatori controllati - Molti qubit - Diagrammi di circuiti quantistici (Azure Quantum) - Quantum Inspire - Lo stato Greenberger–Horne–Zeilinger - GHZ state example - DiVincenzo’s criteria -  Il teletrasporto  - Toffoli Gate - Porte di Hadamard in cascata - Generazione numero casuale - WOLFRAM Demonstrations Project  - Computer a qubit – Qumode - Qumodes vs Qubits - I modelli di computazione quantistica – Qubit e qubit - Alla ricerca dei qubit -  D-Wave - D-Wave Systems - Il centro di Jülich in Germania - Acustica quantistica - Non è quantistico? - Teorema adiabatico -  Calcolo con processo adiabatico – AQC – Modello adiabatico - Adiabatic Grover - Scale micro, meso e macro - Quantum annealing – Monte Carlo sampling e annealing - Modulare Rigetti – Diamonds - Un desktop quantistico – SpinQ - 1998, due qubit - Due o tre qubit - Qubit superconduttori e giunzioni Josephson - Design e fabbricazione - Azure Quantum - Majorana  zero mode - La particella di Majorana esiste? - 2021, la crisi della riproducibilità - Knots and Fermions - Controllo criogenico (Microsoft) - Gooseberry - Horse Ridge (Intel) - Intel e QuTech – Produrre qubit in silicio -  Quantum circuits e atom-based quantum dots  - Simulazione catena poliacetilene - Spin qubit a quantum dot -  Verso lo zero assoluto - Sycamore (Google's Artificial Intelligence division) – Sycamore e i cristalli temporali – Sycamore e la chimica - Architettura Sycamore - Transmon -  Charge qubits - Google e IBM - Supremazia quantistica - La trasformata ottica di Fourier - Advantage using photons (Jiuzhang) - Zuchongzhi 2.1 - L’abaco di Borealis con i qumode - Qumodes in quantum photonics - Encoding a qubit in an oscillator – Gottesman-Knill-Preskill (GKP) embedding - Optical hybrid approaches to quantum information - Hi, friends – Quadrature - Quantum Machine Learning (PennyLane) - Borealis (su Wired) - Programmable Photonic Processor - Ancora su  Borealis - Boson sampling – Cammino casuale quantistico - Quantum walks – L’oracolo - Come fare un test di supremazia - Vantaggio quantistico - Le compagnie che usano i fotoni - E l’IBM? - Roadmap - IBM Open Plan - Diversi linguaggi e Q# - Un codice Qiskit per uno stato di Bell - Algoritmo di Shor – Contromisure - La Honeywell e gli ioni - Le sfide per gli ingegneri - Che problemi può risolvere il computer quantistico? - I raggi cosmici - Nuovi paradigmi - Simulazioni quantistiche (DQS) – Hamiltoniana - Molecular and Material Science – Variational Quantum Eigensolver – Phase Estimation Algorithm (Trotterization) - Quantum Phase Estimation Algoritm - Spin qubit quantum computer (Loss–DiVincenzo quantum computer) – Unitary coupled cluster (UCC) e Qubit coupled cluster (QCC) - Hückel molecular orbitals sull’IBM-Kawasaki - Jordan-Wigner transformation - Molecular Quantum Dynamics Perspective  - Prime applicazioni commerciali? - Algoritmo di Grover - Prepararsi al futuro - Corso al Politecnico di Torino - Per uno studente del Politecnico – Ulteriori notizie - Qudit a trapped ions - Qudit-based quantum processor in silicon-photonic integrated circuits – Alibaba fluxonium -  Riferimenti