Cosa sono i computer quantistici?

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

Cosa sono i computer quantistici?

Prima di esaminare come i computer quantistici funzionano, dobbiamo definire i computer quantistici. La definizione breve di un computer quantistico è la seguente: un computer, basato sulla meccanica quantistica, che è in grado di eseguire certi calcoli complessi con molta maggiore efficienza dei computer tradizionali. Questa è una definizione rapida dei computer quantistici, ma vogliamo prendere un po’ di tempo per capire realmente cosa li distingue dai computer tradizionali.

I computer tradizionali codificano le informazioni con un sistema binario: rappresentano ogni bit di dati come 0 o 1. Serie di 0 e 1 sono concatenate per rappresentare informazioni complesse come testo, immagini e audio. Tuttavia, in questi sistemi binari, le informazioni possono essere archiviate solo come 0 o 1, il che significa che c’è un limite rigido a come i dati vengono rappresentati e interpretati e che, man mano che i dati diventano più complessi, devono necessariamente diventare stringhe più lunghe di 0 e 1.

I computer quantistici sono in grado di memorizzare e interpretare i dati in modo più efficiente perché non utilizzano bit per rappresentare i dati, ma piuttosto ” qubit“. I qubit sono particelle subatomiche come fotoni ed elettroni. I qubit hanno alcune proprietà interessanti che rendono utili per nuovi metodi di calcolo. I qubit hanno due proprietà che gli ingegneri informatici possono sfruttare: sovrapposizione e intreccio.

Le sovrapposizioni quantistiche permettono ai qubit di esistere non solo nello stato “0” o nello stato “1”, ma lungo un continuum tra questi stati, il che significa che più informazioni possono essere memorizzate utilizzando i qubit. Nel frattempo, l’intreccio quantistico si riferisce a un fenomeno in cui coppie di qubit possono essere generate e, se un qubit viene modificato, l’altro qubit viene modificato 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 loro nome dal fatto che possono esistere in più di una posizione contemporaneamente. Mentre i bit possono essere 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 molti risultati potenziali contemporaneamente. Una volta completati i calcoli, i qubit vengono misurati, il che crea un risultato finale attraverso il collasso dello stato quantistico a 0 o 1, il che significa che il risultato può quindi essere interpretato dai computer tradizionali.

I ricercatori e gli ingegneri di computer quantistici possono alterare la posizione in cui si trovano i qubit utilizzando microonde o laser di precisione.

Gli ingegneri informatici possono sfruttare l’intreccio quantistico per migliorare notevolmente la potenza di elaborazione dei computer. L’intreccio quantistico si riferisce al fatto che due qubit possono essere collegati in modo tale che la modifica di un qubit alteri l’altro qubit in modo affidabile. Non è ancora completamente compreso perché i qubit possano stabilire una tale relazione o come funzioni esattamente questo fenomeno, ma gli scienziati lo comprendono abbastanza bene da poterlo sfruttare per i computer quantistici. A causa dell’intreccio quantistico, l’aggiunta di qubit aggiuntivi a una macchina quantistica non raddoppia solo la potenza di elaborazione del computer, ma la scala esponenzialmente.

Se tutto questo è sembrato un po’ troppo astratto, possiamo descrivere come le sovrapposizioni siano utili immaginando un labirinto. Per un computer tradizionale, tentare di risolvere un labirinto significa provare ogni percorso del labirinto fino a trovare un percorso di successo. Tuttavia, un computer quantistico potrebbe essenzialmente esplorare tutti i percorsi diversi contemporaneamente, poiché non è vincolato a uno stato specifico.

Tutto ciò significa che le proprietà di intreccio e sovrapposizione rendono i computer quantistici utili perché possono gestire l’incertezza, sono in grado di esplorare più stati e risultati possibili. I computer quantistici aiuteranno gli scienziati e gli ingegneri a modellare e comprendere meglio situazioni multifacette, con molte variabili.

Cosa sono utilizzati i computer quantistici?

Ora che abbiamo una migliore intuizione di come funzionano i computer quantistici, esploriamo i possibili usi dei 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 raggiungere cose che potrebbero non essere possibili o sono altamente impraticabili 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, nonché il software che le supporta. Google (GOOGL ) sta attualmente utilizzando i suoi computer quantistici per assistere nella creazione di veicoli autonomi.

I computer quantistici hanno anche un ruolo da svolgere nell’analisi delle interazioni e reazioni chimiche. Anche i computer più avanzati possono solo modellare reazioni tra molecole relativamente semplici, che raggiungono simulando le proprietà delle molecole in questione. I computer quantistici, tuttavia, consentono ai ricercatori di creare modelli che hanno le esatte proprietà quantistiche delle molecole che stanno studiando. Una modellazione più rapida e precisa delle molecole aiuterebbe nella creazione di nuovi farmaci terapeutici e nuovi materiali per l’energia, come pannelli solari più efficienti.

I computer quantistici possono anche essere utilizzati per prevedere meglio il tempo. Il tempo è la confluenza di molti eventi e le formule utilizzate per prevedere i modelli meteorologici sono complesse e contengono molte variabili. Ci vuole un tempo molto lungo per eseguire tutti i calcoli necessari per prevedere il tempo, durante il quale le condizioni meteorologiche possono evolversi. 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 precisi, che sono necessari in un mondo in cui il clima sta cambiando.

I computer quantistici e gli algoritmi possono anche essere utilizzati per aiutare a garantire la privacy dei dati delle persone. La crittografia quantistica utilizza il principio di incertezza quantistica, in cui ogni tentativo di misurare un oggetto finisce per modificare quell’oggetto. I tentativi di intercettare le comunicazioni influenzerebbero la comunicazione risultante e mostrerebbero evidenze di manomissione.

Futuro del calcolo quantistico

La maggior parte degli usi dei computer quantistici sarà limitata agli accademici e alle aziende. È improbabile che i consumatori/ il pubblico in generale ottengano smartphone quantistici, almeno non nel prossimo futuro. Ciò è dovuto al fatto che richiede attrezzature specializzate per operare un computer quantistico. I computer quantistici sono estremamente sensibili alle perturbazioni, poiché anche i cambiamenti più minuti nell’ambiente circostante possono causare ai qubit di spostarsi e uscire dallo stato di sovrapposizione. Ciò si chiama decoerenza, ed è una delle ragioni per cui i progressi nei computer quantistici sembrano arrivare così lentamente rispetto ai computer tradizionali. I computer quantistici richiedono generalmente di operare in condizioni di bassissime temperature, isolati da altri dispositivi elettrici.

Anche con tutte le precauzioni, il rumore continua a creare errori nei calcoli e i ricercatori stanno cercando modi per rendere i qubit più affidabili. Per raggiungere la supremazia quantistica, in cui un computer quantistico supera completamente la potenza di un supercomputer attuale, i qubit devono essere collegati insieme. Un computer quantistico veramente supremo potrebbe richiedere migliaia di qubit, ma i migliori computer quantistici di oggi possono generalmente gestire solo intorno ai 50 qubit. I ricercatori stanno costantemente facendo progressi verso la creazione di qubit più stabili e affidabili. Gli esperti nel campo dei computer quantistici prevedono che dispositivi quantistici potenti e affidabili potrebbero essere disponibili entro un decennio.