Con il computer quantico si è aperta una nuova frontiera per il genere umano fatta di un mondo tutto da scoprire. In principio sembrava pura utopia poi nel tempo è diventato qualcosa di reale e tangibile anche se siamo ancora molto lontani da una sostituzione dalle nostre case degli attuali PC che utilizziamo tutti i giorni ma proviamo insiema a capire cos'è il computer quantistico, come funziona e quali sono le sue potenzialità.
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| Computer quantico Silvia Zorzetti Fermilab |
Introduzione
Il computer quantico è un computer che sfrutta le leggi della fisica e della meccanica quantistica per l'elaborazione dei dati, sfruttando come unità fondamentale il qubit (a differenza del calcolo elettronico, alla base dei computer come li abbiamo sempre conosciuti, la cui unità fondamentale è invece il bit).
Il Bit
In ambito informatico il bit è l'unità di informazione più elementare, e che può assumere solo due valori: 0 o 1, e da origine ad un sistema binario; per formare un Byte occorrono 8 Bit. In un sistema binario Il byte può assumere 256 combinazioni diverse per memorizzare le informazioni.
Il Qubit
Il qubit, invece, può assumere una combinazione lineare di 0 e 1, grazie al fenomeno della sovrapposizione degli stati. Questo significa che un qubit può essere sia 0 che 1 contemporaneamente, fino a quando non viene misurato e si "collassa" in uno dei due valori il tutto potenziato al cubo facendo crescere esponezialmente le combinazioni o "stati" che può assumere.
Differenze tra bit & qubit
Rispetto al bit il Qubit permette al computer quantico di esplorare più soluzioni possibili in parallelo, aumentando esponenzialmente la sua capacità di calcolo. Un altro fenomeno che caratterizza il computer quantico è l'entanglement "l'intreccio", ovvero la correlazione tra due o più qubit, che rimangono legati tra loro anche se separati fisicamente. Questo significa che modificando lo stato di un qubit si modifica anche lo stato degli altri qubit entangled, senza bisogno di comunicare tra loro.
Cos'è un computer quantico
Il computer quantistico è un tipo di computer che sfrutta le proprietà della materia a livello subatomico, come la sovrapposizione e l'entanglement, per effettuare operazioni su dei dati. A differenza di un computer classico, che usa i bit come unità di informazione e può assumere solo due valori (0 o 1), il computer quantistico usa i qubit, che possono assumere più valori contemporaneamente grazie alla sovrapposizione. Questo significa che un computer quantistico può eseguire più calcoli in parallelo e risolvere problemi che sarebbero troppo complessi o impossibili per un computer classico.
Potenziale del computer quantico
Il computer quantico ha il potenziale di risolvere problemi molto complessi e intrattabili per i computer tradizionali, come la crittografia, l'ottimizzazione, la simulazione di sistemi fisici, chimici e biologici, l'intelligenza artificiale e molto altro.
Un computer quantistico potrebbe fattorizzare in tempo polinomiale un numero molto grande, come quello usato nella crittografia RSA, rendendo vulnerabili molti sistemi di sicurezza informatica. Oppure potrebbe simulare con maggiore precisione e velocità i fenomeni fisici e chimici che coinvolgono le particelle quantistiche, aprendo nuove frontiere per la scienza e la tecnologia.
Tuttavia, il computer quantico non è ancora una realtà consolidata e accessibile a tutti. Ci sono ancora molte sfide da superare, come la creazione di qubit stabili e scalabili, la correzione degli errori dovuti alle interferenze ambientali, la programmazione e l'interfaccia con i computer classici.
Punti deboli di un computer quantico
Attualmente si è definito il qubit ma la potenza dell'hardware sottostante che riesce ad elaborare questo tipo di informazione è ancora in fase sperimentale. I qubit sono molto sensibili alle interferenze esterne e tendono a perdere la loro coerenza quantistica in breve tempo, causando degli errori nel calcolo. Questo fenomeno è chiamato decoerenza e rappresenta una delle maggiori sfide per lo sviluppo del computer quantistico. Per ridurre la decoerenza, si usano diverse tecniche fatte con materiali diversi ancora in fase di sviluppo e sperimentazione ma che hanno dato ottimi risultati.
Come funziona un computer quantistico?
In sostanza, si basa su tre passaggi fondamentali: l'inizializzazione, la manipolazione e la misurazione dei qubit. L'inizializzazione consiste nel preparare i qubit in uno stato definito, solitamente lo stato |0>, che corrisponde al bit 0. La manipolazione consiste nell'applicare delle operazioni ai qubit tramite dei dispositivi chiamati porte logiche quantistiche, che cambiano lo stato dei qubit secondo delle regole matematiche. La misurazione consiste nel leggere lo stato finale dei qubit dopo aver applicato le porte logiche, ottenendo il risultato del calcolo.
Quanti computer quantici esistono?
Attualmente esistono diversi modelli di computer quantico, basati su diverse tecnologie per realizzare i qubit. Alcuni esempi sono i superconduttori, i fotoni, gli ioni intrappolati, i difetti nei diamanti e le particelle nucleari. Ogni modello ha i suoi vantaggi e svantaggi in termini di efficienza, precisione, velocità e costo.
Tra le aziende e le istituzioni che si occupano di sviluppare il computer quantico ci sono IBM, Google, Microsoft, Intel, Amazon ma anche centri di ricerca come quelli del MIT e di Harvard negli Stati Uniti o quelli di Russia e Cina.
Recentemente sono stati raggiunti alcuni traguardi importanti nel campo del computer quantico. Ad esempio, nel 2019 Google ha annunciato di aver raggiunto la "supremazia quantistica", ovvero la dimostrazione che un computer quantico può svolgere un compito che richiederebbe un tempo impraticabile a un computer classico.
Nemmeno IBM sta a guardare, nel 2019 ha presentato il proprio processore quantico da 27 qubit e ha annunciato il suo obiettivo di raggiungere i 433 qubit entro il 2023. Nel 2021 la Canadese Xanadu ha realizzato un computer quantico fotonico programmabile che ha risolto in 36 microsecondi un problema da 9000 anni. Questi sono solo alcuni esempi delle potenzialità del computer quantico e dei progressi che si stanno facendo in questo ambito.
Italiani illustri del Quantum
Ci sono molti ricercatori illustri del nostro paese riconosciuti a livello mondiale ma sono particolarmente fiero di fare i nomi tre ricercatori che mi hanno colpito di più perché donne al quale auguro ogni successo e sono Angela Sara Cacciapuoti docente dell'università di Napoli Federico II dedicata allo studio del quantum internet, L'ingegniere Silvia Zorzetti ed il fisico Anna Grasselino della Fermilab.
