Come le particelle più piccole potrebbero risolvere le domande più grandi
Wie kleinste Teilchen grösste Fragen lösen könnten
Comment les plus petites particules pourraient résoudre les plus grandes questions
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Lo studente di master Lukas Bischof sta ricercando tecniche di programmazione per i computer quantistici. Queste macchine potrebbero aprire la strada a soluzioni completamente nuove. Molte domande attendono nuove risposte, soprattutto nel mondo dell'energia.
Masterstudent Lukas Bischof forscht an Programmiertechniken für Quantencomputer. Diese Maschinen könnten den Weg zu ganz neuen Lösungen bahnen. Gerade in der Energiewelt warten viele Fragen auf neue Antworten.
Lukas Bischof, étudiant en master, mène des recherches sur les techniques de programmation pour les ordinateurs quantiques. Ces machines pourraient ouvrir la voie à des solutions entièrement nouvelles. Dans le domaine de l’énergie en particulier, de nombreuses questions restent encore sans réponse.
Quando si scende alle più piccole particelle di materia, si entra in un mondo con regole proprie. È come un universo di bolle di sapone che brillano in molti colori, danzano in sincronia e collassano rapidamente. Basta non toccarle. Eppure questo mondo fugace e instabile potrebbe essere predestinato a risolvere i compiti più complessi.
Lukas Bischof ha studiato informatica alla ZHAW di Winterthur e ha esplorato passo dopo passo il mondo dei quanti. Nella sua tesi di laurea magistrale, completata quest'estate, è stato in grado di dimostrare con le proprie risorse ciò che le grandi aziende tecnologiche stanno studiando da tempo: i computer quantistici possono già superare i supercomputer tradizionali in alcune attività di calcolo.
Arrivati in pratica
"Il computer quantistico non solo era più veloce nel riconoscere i modelli, ma richiedeva anche meno dati", spiega Lukas. Allo stesso tempo, ammette: "I computer quantistici non sono ancora così avanzati da poter risolvere in modo affidabile un'ampia gamma di argomenti da soli". È convinto che anche in futuro sarà necessaria una divisione del lavoro tra computer tradizionali e quantistici.
Ma cosa rende i computer quantistici più veloci? Invece che con i bit, i computer quantistici lavorano con i bit quantistici, i cosiddetti qubit. Mentre i bit possono assumere il valore 0 o 1, i qubit possono anche assumere tutti i valori intermedi. Questo stato è noto anche come superposizione. Permette ai computer quantistici di eseguire diverse operazioni aritmetiche contemporaneamente, mentre i computer tradizionali procedono per gradi.
La ricerca è ancora lunga
"Al momento, quando si tratta di programmare i computer quantistici, siamo più o meno al punto in cui eravamo dieci anni fa nel campo dell'apprendimento automatico", spiega Kurt Stockinger, che insegna informatica e scienza dei dati presso la ZHAW e l'Università di Zurigo. Ha supervisionato il lavoro di Lukas insieme a Rudolf Füchslin e Pavel Sulimov dello ZHAW.
"Sappiamo ancora troppo poco su quali siano gli approcci di programmazione più adatti", spiega Stockinger. Vorrebbe che si facesse più ricerca nell'area del software.
Lukas sottolinea anche che il particolare mondo dei quanti è talvolta molto lontano dal nostro mondo logico dell'esperienza. "Quando programmo, devo sempre familiarizzare con nuovi concetti". Tuttavia, il mondo dei quanti lo ha conquistato. Ha già pubblicato un articolo sulla famosa rivista scientifica "Nature Scientific Reports" e sta pensando di conseguire un dottorato.
Wenn man zu den kleinsten Materieteilchen vordringt, tritt man in eine Welt mit eigenen Regeln ein. Es ist wie ein eigenes Universum aus Seifenblasen, die vielfarbig schimmern, synchron tanzen und rasch wieder in sich zusammenfallen. Bloss nicht berühren. Und doch könnte diese flüchtige, instabile Welt prädestiniert sein, die komplexesten Aufgaben zu lösen.
Lukas Bischof hat an der ZHAW in Winterthur Informatik studiert und sich in der Quantenwelt Schritt für Schritt vorangetastet. In seiner Masterarbeit, die er diesen Sommer abgeschlossen hat, konnte er mit eigenen Mitteln nachweisen, woran grosse Tech-Unternehmen schon länger forschen: Quantencomputer können bei gewissen Rechenaufgaben traditionelle Supercomputer bereits jetzt ausstechen.
In der Praxis angekommen
«Bei der Mustererkennung war der Quantencomputer nicht nur schneller, sondern benötigte auch weniger Daten», erklärt Lukas. Gleichzeitig räumt er ein: «Quantencomputer sind noch nicht so weit, dass sie ein breites Themenfeld verlässlich alleine lösen können.» Er ist überzeugt, dass auch in Zukunft eine Arbeitsteilung zwischen traditionellen und Quanten-Computern gefragt sein wird.
Doch was führt dazu, dass Quantencomputer schneller sind? Anstelle von Bits arbeiten Quantencomputer mit Quantenbits, sogenannten Qubits. Während Bits den Wert 0 oder 1 annehmen können, können Qubits auch alle Werte dazwischen annehmen. Diesen Zustand nennt man auch Superposition. Er erlaubt es, dass Quantencomputer verschiedene Rechenoperation gleichzeitig ausführen können, während traditionelle Computer Schritt für Schritt vorgehen.
Noch viel Forschung nötig
«Im Moment stehen wir bei der Programmierung von Quantencomputern etwa da, wo wir im Bereich Machine Learning vor zehn Jahren gestanden sind», erklärt Kurt Stockinger, der an der ZHAW und an der Universität Zürich Computerwissenschaften und Data Science lehrt. Er betreute die Arbeit von Lukas zusammen mit Rudolf Füchslin und Pavel Sulimov von der ZHAW.
«Wir wissen noch viel zu wenig, wo welche Programmieransätze am besten eingesetzt werden», erklärt Stockinger. Er wünscht sich, dass im Bereich der Software noch mehr geforscht wird.
Dass die eigentümliche Welt der Quanten zum Teil weit weg ist von unserer logischen Erfahrungswelt, unterstreicht auch Lukas. «Beim Programmieren muss ich mich immer wieder in neue Konzepte reindenken». Gepackt hat ihn die Quantenwelt dennoch. Er konnte bereits eine Arbeit im renommierten Wissenschaftsmagazin «Nature Scientific Reports» veröffentlichen und überlegt sich, noch ein Doktoratsstudium anzuhängen.
Lorsqu’on explore les plus petites particules de matière, on entre dans un monde régi par ses propres lois. C’est comme un univers à part, composé de bulles de savon multicolores qui scintillent, dansent à l’unisson et s’effondrent aussitôt sur elles-mêmes. Il ne faut surtout pas les toucher. Et pourtant, ce monde fugace et instable pourrait bien être prédestiné à résoudre les tâches les plus complexes.
Lukas Bischof a étudié l’informatique à la ZHAW de Winterthour et s’est progressivement frayé un chemin dans le monde quantique. Dans son mémoire de master, qu’il a terminé cet été, il a pu démontrer par ses propres moyens ce sur quoi de grandes entreprises technologiques travaillent depuis un certain temps déjà: les ordinateurs quantiques surpassent déjà les superordinateurs traditionnels pour certaines tâches de calcul.
Arrivée dans la pratique
«En matière de reconnaissance de formes, l’ordinateur quantique était non seulement plus rapide, mais il avait aussi besoin de moins de données», explique Lukas. En même temps, il admet: «Les ordinateurs quantiques n’en sont pas encore au point de pouvoir résoudre de manière fiable un large éventail de problèmes par eux-mêmes.» Il est convaincu qu’une répartition des tâches entre ordinateurs traditionnels et quantiques restera nécessaire à l’avenir.
Mais qu’est-ce qui rend les ordinateurs quantiques plus rapides? Au lieu de bits, les ordinateurs quantiques utilisent des bits quantiques, appelés qubits. Alors que les bits peuvent prendre la valeur 0 ou 1, les qubits peuvent aussi adopter toutes les valeurs intermédiaires. Cet état, appelé superposition, permet aux ordinateurs quantiques d’effectuer plusieurs opérations de calcul simultanément, tandis que les ordinateurs traditionnels procèdent étape par étape.
Encore beaucoup de recherche nécessaire
«Actuellement, la programmation des ordinateurs quantiques en est à peu près là où l’on se trouvait dans le domaine du machine learning il y a dix ans», explique Kurt Stockinger, qui enseigne l’informatique et la science des données à la ZHAW et à l’Université de Zurich. Il a supervisé le travail de Lukas en collaboration avec Rudolf Füchslin et Pavel Sulimov de la ZHAW.
«Nous en savons encore beaucoup trop peu sur les approches de programmation les plus adaptées à chaque situation», explique Kurt Stockinger. Il souhaite que davantage de recherches soient menées dans le domaine des logiciels.
Lukas souligne également que le monde particulier de la physique quantique est parfois bien éloigné de notre univers logique et rationnel: «Lorsque je programme, je dois sans cesse me familiariser avec de nouveaux concepts.» Néanmoins, le monde quantique le fascine. Il a déjà publié un article dans la prestigieuse revue scientifique Nature Scientific Reports et envisage de poursuivre un doctorat.
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Grande potenziale nel settore energetico
La natura dei computer quantistici li rende particolarmente adatti alla modellazione a livello atomico. Le interazioni che avvengono tra molecole diverse sono anche al centro di molte questioni nel settore energetico. Come possiamo costruire una cella solare più efficiente? Come possiamo convertire diverse forme di energia? I computer quantistici potrebbero un giorno fornire nuove risposte.
La ricerca sulla fusione per la produzione di energia è ancora in fase sperimentale. È ipotizzabile che, grazie alle nuove scoperte computerizzate, un giorno potremo utilizzare per la produzione di energia qui sulla Terra gli stessi meccanismi attivi nel sole.
Sviluppo aperto
Negli ultimi anni, i progressi nel campo dell'apprendimento automatico e i nuovi supercomputer ci hanno portato nel meraviglioso mondo dell'intelligenza artificiale. Non si può escludere che nei prossimi anni saranno possibili simili balzi tecnologici anche nel campo dell'informatica quantistica. Le risposte delle particelle più piccole assomigliano ancora a un rumore. Tuttavia, presto dovrebbero parlare un linguaggio più chiaro a studenti e ricercatori. Anche con voi? Scoprite come potete fare la differenza con la formazione tecnica.
Die Natur der Quantencomputer macht sie besonders geeignet für Modellierungen auf der atomaren Ebene. Die Wechselwirkungen, die zwischen verschiedenen Molekülen wirken, sind auch zentral für viele Fragen im Energiebereich. Wie bauen wir eine effizientere Solarzelle? Wie können wir verschiedene Energieformen umwandeln? Quantencomputer könnten hier einst neue Antworten liefern.
Noch im experimentellen Stadium befindet sich die Fusionsforschung für die Energiegewinnung. Denkbar ist, dass wir hier auf der Erde dank neuer computergestützter Erkenntnisse einst die gleichen Mechanismen für die Energieerzeugung nutzen werden, die auch in der Sonne aktiv sind.
Offene Entwicklung
In den vergangenen Jahren haben uns Fortschritte im Bereich Machine Learning sowie neue Supercomputer die Wunderwelt der Künstlichen Intelligenz gebracht. Es ist nicht ausgeschlossen, dass in den kommenden Jahren ähnliche technologische Sprünge auch im Bereich des Quantencomputings möglich sein werden. Noch gleichen die Antworten der kleinsten Teilchen einem Rauschen. Mit Studenten und Forschenden dürften sie jedoch schon bald eine klarere Sprache sprechen. Auch mit dir? Erfahre mehr dazu, wie du mit technischen Ausbildungen etwas bewirken kannst.
La nature même des ordinateurs quantiques les rend particulièrement adaptés aux modélisations à l’échelle atomique. Les interactions entre différentes molécules sont également au cœur de nombreuses questions dans le domaine de l’énergie. Comment construire des cellules solaires plus efficaces? Comment transformer différentes formes d’énergie? Les ordinateurs quantiques pourraient un jour apporter de nouvelles réponses à ces questions.La recherche sur la fusion pour la production d’énergie en est encore au stade expérimental. Il est envisageable que, grâce à de nouvelles connaissances obtenues grâce aux ordinateurs, nous puissions un jour utiliser sur Terre les mêmes mécanismes de production d’énergie que ceux qui sont à l’œuvre dans le Soleil.
Développement ouvert
Ces dernières années, les progrès réalisés dans le domaine du machine learning, ainsi que les nouveaux superordinateurs nous ont ouvert les portes du monde merveilleux de l’intelligence artificielle. Il n’est pas exclu que des avancées technologiques similaires se produisent dans les prochaines années dans le domaine de l’informatique quantique. Pour l’instant, les réponses fournies par les plus petites particules ressemblent encore à du bruit. Mais grâce au travail des étudiants et des chercheurs, elles devraient bientôt parler un langage plus clair. Avec toi aussi? Découvre comment une formation technique peut te permettre de faire la différence.
Superposizione: è il termine tecnico per indicare che un qubit può assumere contemporaneamente lo stato 0 e 1, o qualsiasi posizione intermedia. Solo quando "misuriamo" un qubit lo costringiamo a decidere a favore di un valore.
Entanglement: i qubit possono essere collegati tra loro. Se cambiamo o misuriamo lo stato di un qubit, anche lo stato dell'altro cambia immediatamente. Questo fenomeno aumenta le prestazioni di un computer quantistico.
Porte quantistiche: a livello di software, le porte quantistiche sono i mattoni di base. Contengono istruzioni su come i qubit possono essere portati negli stati quantici desiderati e collegati mediante precisi impulsi laser e a microonde.
Probabilità: i computer quantistici non producono valori unici, ma piuttosto la soluzione più probabile. Il trucco consiste nell'utilizzare le porte quantistiche e le correzioni degli errori per ottenere l'approssimazione più precisa possibile.
Elemente des Quantencomputings erklärt
Superposition: Dies ist der Fachbegriff für die Tatsache, dass ein Qubit gleichzeitig den Zustand 0 und 1, oder jede beliebige Position dazwischen, annehmen kann. Erst wenn wir ein Qubit «messen», zwingen wir es, sich für einen Wert zu entscheiden.
Verschränkung: Qubits können miteinander verbunden werden. Wenn wir den Zustand eines Qubits ändern oder messen, ändert sich auch sofort der Zustand des anderen. Dieses Phänomen erhöht die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers.
Quantengatter: Auf Stufe Software sind Quantengatter die Grundbausteine. Sie enthalten Anweisungen, wie über präzise Laser- und Mikrowellenpulse die Qubits in die gewünschten Quantenzustände gebracht und verbunden werden können.
Wahrscheinlichkeit: Quantencomputer geben keine eindeutigen Werte aus, sondern die wahrscheinlichste Lösung. Der Trick liegt darin, mit Quantengattern und Fehlerkorrekturen eine möglichst präzise Annäherung zu erreichen.
Les éléments de l’informatique quantique expliqués
Superposition: c’est le terme technique désignant le fait qu’un qubit peut simultanément prendre les états 0 et 1, ou toute position intermédiaire. Ce n’est que lorsque l’on «mesure» un qubit qu’on l’oblige à prendre une valeur.
Intrication: les qubits peuvent être liés entre eux. Lorsque l’on modifie ou que l’on mesure l’état d’un qubit, l’état de l’autre change immédiatement. Ce phénomène augmente la puissance d’un ordinateur quantique.
Portes quantiques: au niveau logiciel, les portes quantiques sont les éléments de base. Elles contiennent des instructions indiquant comment, grâce à des impulsions précises de laser et de micro-ondes, les qubits peuvent être amenés aux états quantiques souhaités et reliés entre eux.
Probabilité: les ordinateurs quantiques ne fournissent pas de valeurs uniques, mais la solution la plus probable. L’astuce consiste à obtenir une approximation aussi précise que possible grâce aux portes quantiques et aux corrections d’erreurs.
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