Cosa sono i computer quantistici?

I computer quantistici hanno il potenziale per aumentare notevolmente la varietà e l’accuratezza dei calcoli, aprendo nuove applicazioni per i computer e migliorando i nostri modelli di fenomeni fisici. Tuttavia, mentre i computer quantistici stanno vedendo una crescente copertura mediatica, molti non sono ancora sicuri di come i computer quantistici differiscano dai computer normali. Esaminiamo come funzionano i computer quantistici, alcune delle loro applicazioni e il loro prossimo futuro.

Che cos'è un computer quantistico?

Prima di poter esaminare in modo significativo come funzionano i computer quantistici operare, dobbiamo prima definire computer quantistici. La breve definizione di computer quantistico è questa: un computer, basato sulla meccanica quantistica, che è in grado di eseguire determinati calcoli complessi con un'efficienza molto maggiore rispetto ai computer tradizionali. Questa è una rapida definizione di computer quantistici, ma vorremmo prenderci un po' di tempo per capire veramente cosa separa i computer quantistici dai computer tradizionali.

I normali computer codificano le informazioni con un sistema binario: rappresentando ogni bit dei dati come uno o zero. Le serie di uno e zero sono concatenate insieme per rappresentare blocchi complessi di informazioni come testo, immagini e audio. Tuttavia, in questi sistemi binari, le informazioni possono essere memorizzate solo come uno e zero, il che significa che esiste un limite rigido al modo in cui i dati vengono rappresentati e interpretati e che, man mano che i dati diventano più complessi, devono necessariamente diventare stringhe sempre più lunghe di uno e zeri.

Il motivo per cui i computer quantistici sono in grado di archiviare e interpretare i dati in modo più efficiente è perché non usano i bit per rappresentare i dati, piuttosto usano "qubit”. I qubit sono particelle subatomiche come fotoni ed elettroni. I qubit hanno un paio di proprietà interessanti che li rendono utili per nuovi metodi di calcolo. I qubit hanno due proprietà che gli ingegneri informatici possono sfruttare: sovrapposizioni e entanglement.

Le sovrapposizioni quantistiche consentono ai qubit di esistere non solo nello stato "uno" o nello stato "zero", ma lungo un continuum tra questi stati, il che significa che è possibile conservare più informazioni utilizzando i qubit. Nel frattempo, l'entanglement quantistico si riferisce a un fenomeno in cui è possibile generare coppie di qubit e se un qubit viene alterato, anche l'altro qubit viene alterato, in modo prevedibile. Queste proprietà quantistiche possono essere utilizzate per rappresentare e strutturare dati complessi in modi più efficienti.

Come funzionano i computer quantistici

Le "sovrapposizioni" quantistiche prendono il nome dal fatto che possono trovarsi in più di una posizione alla volta. Mentre i bit possono trovarsi solo in due posizioni, i qubit possono esistere in più stati contemporaneamente.

Grazie in parte all'esistenza delle sovrapposizioni quantistiche, un computer quantistico è in grado di calcolare contemporaneamente molti risultati potenziali diversi. Una volta terminati i calcoli, vengono misurati i qubit, il che crea un risultato finale attraverso il collasso dello stato quantico a 0 o 1, il che significa che il risultato può quindi essere interpretato dai computer tradizionali.

I ricercatori e gli ingegneri dell'informatica quantistica possono alterare la posizione in cui si trovano i qubit utilizzando microonde o laser di precisione.

Gli ingegneri informatici possono sfruttare l'entanglement quantistico per migliorare notevolmente la potenza di elaborazione dei computer. L'entanglement quantistico si riferisce al fatto che due qubit possono essere collegati insieme in modo tale che la modifica di uno dei qubit alteri l'altro qubit in modo affidabile. Non è del tutto chiaro perché i qubit possano stabilire una tale relazione o come funzioni esattamente questo fenomeno, ma gli scienziati lo capiscono abbastanza bene da trarne vantaggio potenzialmente per i computer quantistici. A causa dell'entanglement quantistico, l'aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica non si limita a raddoppiare la potenza di elaborazione di un computer, ma può ridimensionare la potenza di elaborazione in modo esponenziale.

Se tutto questo è sembrato un po' troppo astratto, possiamo descrivere come le sovrapposizioni siano utili immaginando un labirinto. Affinché un normale computer tenti di risolvere un labirinto, deve provare ogni percorso del labirinto finché non trova un percorso di successo. Tuttavia, un computer quantistico potrebbe essenzialmente esplorare tutti i diversi percorsi contemporaneamente, poiché non è legato a nessuno stato specifico.

Tutto questo per dire che le proprietà dell'entanglement e delle sovrapposizioni rendono utili i computer quantistici perché possono affrontare l'incertezza, sono in grado di esplorare più stati e risultati possibili. I computer quantistici aiuteranno scienziati e ingegneri a modellare e comprendere meglio situazioni dalle molteplici sfaccettature, con molte variabili.

A cosa servono i computer quantistici?

Ora che abbiamo un'intuizione migliore su come funzionano i computer quantistici, esploriamo il possibile casi d'uso per i computer quantistici.

Abbiamo già accennato al fatto che i computer quantistici possono essere utilizzati per eseguire calcoli tradizionali a un ritmo molto più veloce. Tuttavia, la tecnologia dei computer quantistici può essere utilizzata per ottenere cose che potrebbero non essere nemmeno possibili, o sono altamente poco pratiche, con i computer tradizionali.

Una delle applicazioni più promettenti e interessanti dei computer quantistici è nel campo dell'intelligenza artificiale. I computer quantistici hanno il potere di migliorare i modelli creati dalle reti neurali, così come il software che li supporta. Google sta attualmente utilizzando i suoi computer quantistici per assistere nella creazione di veicoli a guida autonoma.

Anche i computer quantistici hanno un ruolo da svolgere nell'analisi di interazioni e reazioni chimiche. Anche i computer normali più avanzati possono modellare solo reazioni tra molecole relativamente semplici, che ottengono simulando le proprietà delle molecole in questione. I computer quantistici, tuttavia, consentono ai ricercatori di creare modelli che hanno le proprietà quantistiche esatte delle molecole che stanno ricercando. Una modellazione delle molecole più rapida e accurata aiuterebbe nella creazione di nuovi farmaci terapeutici e nuovi materiali da utilizzare nella creazione di tecnologia energetica, come pannelli solari più efficienti.

Possono essere utilizzati anche computer quantistici per prevedere meglio il tempo. Il tempo è la confluenza di molti eventi e le formule utilizzate per prevedere i modelli meteorologici sono complicate e contengono molte variabili. L'esecuzione di tutti i calcoli necessari per prevedere il tempo può richiedere tempi estremamente lunghi, durante i quali le condizioni meteorologiche stesse possono evolvere. Fortunatamente, le equazioni utilizzate per prevedere il tempo hanno una natura ondulatoria che un computer quantistico può sfruttare. I computer quantistici possono aiutare i ricercatori a costruire modelli climatici più accurati, necessari in un mondo in cui il clima sta cambiando.

I computer e gli algoritmi quantistici possono anche essere utilizzati per garantire la privacy dei dati delle persone. Crittografia quantistica fa uso del principio di indeterminazione quantistica, in cui qualsiasi tentativo di misurare un oggetto finisce per apportare modifiche a quell'oggetto. I tentativi di intercettare le comunicazioni influenzerebbero la comunicazione risultante e mostrerebbero prove di manomissione.

Futuro dell'informatica quantistica

La maggior parte degli usi dei computer quantistici sarà limitata agli accademici e alle imprese. È improbabile che i consumatori/il pubblico in generale ricevano smartphone quantistici, almeno non a breve. Questo perché richiede attrezzature specializzate per far funzionare un computer quantistico. I computer quantistici sono altamente sensibili ai disturbi, poiché anche i più piccoli cambiamenti nell'ambiente circostante possono causare lo spostamento dei qubit e l'uscita dallo stato di sovrapposizione. Questa si chiama decoerenza, ed è uno dei motivi per cui i progressi nei computer quantistici sembrano arrivare così lentamente rispetto ai computer normali. I computer quantistici in genere devono funzionare in condizioni di temperature estremamente basse, isolati da altre apparecchiature elettriche.

Anche con tutte le precauzioni, il rumore riesce comunque a creare errori nei calcoli e i ricercatori stanno cercando modi per rendere i qubit più affidabili. Per raggiungere la supremazia quantistica, dove un computer quantistico eclissa completamente la potenza di un attuale supercomputer, i qubit devono essere collegati tra loro. Un vero computer supremo quantistico potrebbe richiedere migliaia di qubit, ma i migliori computer quantistici di oggi sì in genere si occupano solo di circa 50 qubit. I ricercatori fanno costantemente progressi verso la creazione di qubit più stabili e affidabili. Gli esperti nel campo dei computer quantistici prevedono dispositivi quantistici potenti e affidabili potrebbe essere qui entro un decennio.