Quantum Computing

Introduzione al Quantum Computing.

I computer quantistici sfruttano alcune peculiari proprietà della meccanica quantistica per risolvere in modo incredibilmente più efficiente alcuni problemi computazionali (per esempio la scomposizione in numeri primi di un numero intero molto grande, la ricerca in un database non strutturato o la simulazione di una molecola complessa) che, anche sui supercomputer classici più potenti, richiedono una quantità esponenziale di tempo e risorse.

L’incredibile efficienza dei computer quantistici è dovuta al massiccio parallelismo di calcolo che si ottiene sfruttando tre proprietà fondamentali della meccanica quantistica: la sovrapposizione degli stati, l’entanglement e l’interferenza.

Cerchiamo di spiegare, in breve, di cosa si tratta: il bit tradizionale può assumere il valore 0 oppure il valore 1, mentre il quantum bit (o qubit) si può trovare  in una sovrapposizione di entrambi gli stati 0 ed 1; in sostanza può essere contemporaneamente 0 ed 1 fino a quando non si esegue una misurazione. Un aspetto importante del processo di misura è che altera, in modo irreversibile, lo stato del qubit: l’effetto della misurazione è il “collasso”  dello stato del qubit in uno dei due valori 0 o 1, ottenuti in modo del tutto casuale. In meccanica quantistica possiamo sfruttare un’altra proprietà speciale, chiamata entanglement (o correlazione quantistica). Un modo possibile per generare l’entanglement è quello di prendere due qubit, avvicinarli, eseguire un processo che li vincoli in un modo speciale ed allontanarli nuovamente. Come esempio concreto possiamo considerare due fotoni emessi da uno stesso atomo quando un suo elettrone discende di due livelli energetici; i fotoni risultanti sono entangled. Quando due qubits sono entangled, anche se vengono allontanati arbitrariamente, resteranno sempre entangled. Il fenomeno dell’entanglement si manifesta chiaramente osservando il risultato della misurazione dei due qubit: la misurazione dei qubit restituirà sempre il valore 0 o il valore 1, in modo totalmente casuale. Ma, indipendentemente dalla loro distanza (il secondo qubit potrebbe trovarsi anche ai confini dell’universo), quando si misura uno dei due qubit, immediatamente anche l’altro restituirà il medesimo risultato.

Un’ altra idea fondamentale del calcolo quantistico è il controllo della probabilità che un sistema di qubit, all’atto della misurazione, possa collassare in un insieme di risultati desiderati. E’ il fenomeno dell’interferenza quantistica che ci consente di attuare questo tipo di controllo, facendo convergere il risultato della misura verso un determinato valore o un insieme di valori.

Ricordiamo che l’interferenza è un tipico fenomeno connesso alla natura ondulatoria delle particelle (elettroni, fotoni, etc.).  Ecco riassunto in cosa consiste: un’onda è caratterizzata da creste (picco: punto più alto) e da ventri (valle: punto più basso). La distanza fra due creste successive o fra due ventri successivi è detta lunghezza d’onda.

Quando due onde si incontrano possono sovrapporsi in vari modi: se le creste (o i ventri) delle due onde coincidono, si ha un’interferenza costruttiva e l’onda risultante è la somma delle due onde. Se invece le due onde si sovrappongono con la cresta in corrispondenza del ventre, si ha un’interferenza distruttiva.

Grazie a queste strane proprietà della meccanica quantistica, i futuri computer quantistici potranno aiutarci a risolvere problemi considerati insolubili nel modo classico. Sarà una rivoluzione nel settore della chimica farmaceutica, poiché i ricercatori nel giro di pochi giorni o settimane, potranno simulare contemporaneamente il comportamento di migliaia di molecole, ottenendo in tal modo risultati predittivi, prima di eseguire la sperimentazione clinica.

La chimica industriale ha sempre sfruttato i catalizzatori per ottenere reazioni a temperatura ambiente, rendendo in tal modo, i processi produttivi più semplici, più efficienti e meno costosi. Al giorno d’oggi l’industria verde ha bisogno di sviluppare nuovi catalizzatori, e i computer quantistici potranno agevolare enormemente questo tipo di attività.

I computer quantistici saranno in grado anche di risolvere problemi complessi nell’ambito dell’intelligenza artificiale, a tal proposito un settore emergente è quello del Quantum Machine Learning. E’ inoltre molto probabile ,che in un futuro avremo a disposizione delle macchine in grado risolvere problemi in un modo molto simile agli esseri umani.

Come ultima applicazione, ma non meno importante, grazie alle leggi della fisica quantistica, avremo reti di comunicazione più sicure e protette da sistemi di crittografia quantistica.

Altre applicazioni verranno inventate non appena la tecnologia ci consentirà di sfruttare al massimo la potenza dei computer quantistici in modo sempre più affidabile e con una scalabilità che ad oggi è difficile immaginare.

A Beginner’s Guide to Quantum Computing

IBM Research.

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