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Quantum computing: cos’è, come funziona, perché lo useremo

Negli ultimi anni, le grandi aziende hanno compiuto importanti passi avanti nell’informatica quantistica e nella realizzazione di progetti di quantum computing, che sembra destinata a rivoluzionare il mondo come lo conosciamo.

Si tratta di un nuovo percorso per l’information technology, destinato a cambiare numerosi paradigmi e di cui è quindi importante conosce i principi di base. Vediamoli assieme.

Cos’e un computer quantistico

Questa branca dell’informatica si basa sui principi della sovrapposizione della materia e dell’entanglement quantistico e utilizza un metodo di calcolo diverso da quello tradizionale.

A livello teorico, sarebbe in grado di memorizzare molti più stati per unità di informazione e di operare con algoritmi molto più efficienti a livello numerico.

Questa nuova generazione di supercomputer utilizza la conoscenza della meccanica quantistica , l’area della fisica che studia le particelle atomiche e subatomiche, per superare alcuni limiti del calcolo classico.

Nonostante il quantum computing affronti evidenti problemi di scalabilità e incoerenza, consente di eseguire più operazioni simultanee ed elimina l’effetto tunnel che limita l’attuale programmazione su scala nanometrica.

Cos’è un qubit

Il calcolo quantistico utilizza il qubit come unità di informazione di base in luogo del bit convenzionale. La caratteristica principale di questo sistema alternativo è che permette la sovrapposizione coerente di uno e zero, le cifre del sistema binario attorno a cui ruota tutto il calcolo. I bit, al contrario, possono avere solo un valore alla volta – uno o zero.

Questo aspetto della tecnologia quantistica significa che un qubit può essere sia zero che uno allo stesso tempo e in proporzioni diverse. Questa molteplicità di stati consente a un computer quantistico con soli 30 qubit, ad esempio, di eseguire 10 miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo

La generazione e la gestione dei qubit è una sfida scientifica e ingegneristica. Alcune aziende, come Ibm , Google e Rigetti Computing, utilizzano circuiti superconduttori raffreddati a temperature più fredde dello spazio profondo. Altri, come IonQ, intrappolano singoli atomi nei campi elettromagnetici su un chip di silicio in camere ad altissimo vuoto. In entrambi i casi, l’obiettivo è isolare i qubit in uno stato quantistico controllato.

I Qubit hanno alcune proprietà quantistiche bizzarre che implicano che un gruppo connesso di essi può fornire molta più potenza di elaborazione rispetto allo stesso numero di bit binari. Una di queste proprietà è nota come sovrapposizione e l’altra è chiamata entanglement.

Cos’è la sovrapposizione

Il principio di sovrapposizione afferma che un elettrone, quando immerso in un campo magnetico , può avere lo spin allineato con il campo magnetico stesso (e in questo caso si dice che l’elettrone è in uno stato di spin-up), o al contrario avere uno spin opposto al campo (l’elettrone è in stato di spin-down).

Secondo le leggi della fisica quantistica, una particella può anche essere in uno stato di sovrapposizione e si comporta come se fosse sia in stato di spin-up sia in stato di spin-down.

Nel nostro caso, applicando queste leggi all’informatica quantistica, il principio di sovrapposizione stabilisce che il qubit può assumere contemporaneamente i due stati del bit “classico” e valere “0” e “1” allo stesso tempo.

Inoltre, i qubit possono rappresentare numerose possibili combinazioni di 1  e 0 contemporaneamente. Questa capacità di trovarsi simultaneamente in più stati è chiamata sovrapposizione.

Per mettere i qubit in sovrapposizione, i ricercatori li manipolano utilizzando laser di precisione o raggi a microonde.

Grazie a questo fenomeno, un computer quantistico con diversi qubit in sovrapposizione può analizzare contemporaneamente un enorme numero di potenziali risultati. Il risultato finale di un calcolo emerge solo una volta che i qubit sono stati misurati, il che fa immediatamente “collassare” il loro stato quantistico a 1 o 0.

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Cos’è l’entanglement nel quantum computing

I ricercatori possono generare coppie di qubit che sono “entangled“, il che significa che i due membri di una coppia esistono in un singolo stato quantistico. La modifica dello stato di uno dei qubit cambierà istantaneamente lo stato dell’altro in modo prevedibile. Ciò accade anche se sono separati da distanze molto lunghe.

Nell’entanglement, definito anche correlazione quantistica, le particelle che hanno interagito in passato conservano comunque una connessione tra loro qualora si trovino ancora in un sistema completamente isolato.

Per questa ragione,  conoscendo lo spin di una particella si potrà conoscere automaticamente anche lo spin della seconda particella: se la prima è in spin-up, la seconda sarà in spin-down, indipendentemente dalla distanza che le divide.
Nell’informatica quantistica ciò permette di trasferire informazioni da un capo all’altro del sistema, qualunque sia la distanza.

Nessuno sa davvero come o perché funzioni l’entanglement. Ha persino sconcertato Einstein, che notoriamente l’ha descritto come “azione spettrale a distanza”. Ma è la chiave per la potenza dei computer quantistici.

In un computer convenzionale, raddoppiando il numero di bit si raddoppia la sua potenza di elaborazione.

Ma grazie all’entanglement, l’aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica produce un aumento esponenziale della sua capacità computazionale.

I computer quantistici sfruttano i qubit intrecciati in una sorta di catena a margherita quantistica per operare. La capacità delle macchine di accelerare i calcoli utilizzando algoritmi quantistici appositamente progettati è il motivo per cui c’è così tanto entusiasmo sul loro potenziale.

Questa è la buona notizia.

La cattiva notizia è che le macchine quantistiche sono molto più soggette a errori dei computer classici a causa della decoerenza.

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Quantum computing, la decoerenza quantistica

La sovrapposizione di stati diversi, forzata su un sistema complesso, fatto di bilioni e bilioni di atomi, semplicemente non riesce a mantenersi e sparisce rapidamente nel fenomeno chiamato “decoerenza”.

La decoerenza quantistica o desincronizzazione delle funzioni d’onda descrive il fenomeno del collasso della funzione d’onda come conseguenza dell’interazione irreversibile (in senso termodinamico) fra i sistemi quantistici e l’ambiente esterno.

La decoerenza è un processo fisico reale che avviene dovunque continuamente. Si verifica ogniqualvolta un sistema quantistico non è più isolato dall’ambiente macroscopico circostante e la sua funzione d’onda si trova in correlazione con il complesso stato di questo ambiente. La decoerenza è uno dei processi più veloci ed efficienti della fisica.

Ed è stata proprio la sua efficienza a rendere così difficile la sua scoperta per tanto tempo. Il processo di decoerenza è ancora un’area di ricerca molto attiva e non è ancora completamente compreso in tutti i suoi aspetti.

Quindi, l’interazione dei qubit con il loro ambiente in modi che fanno decadere il loro comportamento quantistico e alla fine scompaiono è chiamata decoerenza. Il loro stato quantistico è estremamente fragile.

La minima vibrazione o variazione di temperatura – disturbi noti come “rumore” nel linguaggio quantistico – può farli cadere fuori dalla sovrapposizione prima che il loro lavoro sia stato svolto correttamente. Ecco perché i ricercatori fanno del loro meglio per proteggere i qubit dal mondo esterno con sistemi estremi di refrigerazione e camere a vuoto.

Tuttavia, nonostante gli sforzi profusi, il rumore è sempre alla base degli errori all’interno del calcolo quantistico.

Gli algoritmi quantistici intelligenti  possono compensare alcuni di questi e anche l’aggiunta di più qubit aiuta.

Per questo servono moltii qubit standard per crearne uno unico, altamente affidabile, noto come qubit “logico”.

È facile quindi capire quali immense sfide debbano affrontare i ricercatori e le grandi realtà che investono nel quantum computing, quando si tratta di aumentare il numero di bit dei propri computer quantistici.

Tuttavia, questo non ha intaccato le speranze dei pionieri di essere i primi a dimostrare la “supremazia quantistica“.

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Un computer quantistico di Ibm

Cos’è la supremazia quantistica

Si parla di supremazia quantistica in merito al punto in cui un computer quantistico può completare un calcolo matematico che è senza possibilità di smentite al di là della portata anche del supercomputer più potente.

Si tratta di un confine in continuo mutamento: non è ancora chiaro esattamente quanti qubit saranno necessari per raggiungere questo obiettivo anche perché i ricercatori continuano a trovare nuovi algoritmi per aumentare le prestazioni delle macchine classiche e l’hardware di supercalcolo continua a migliorare. Tuttavia, sono numerosi gli esempi di esperimento condotti in tal senso, anche se più a scopo di comunicazione che non di reale efficienza in attività pratiche.

C’è molto dibattito nel mondo della ricerca su quanto sia significativo il raggiungimento di questo traguardo.

Piuttosto che aspettare che venga dichiarata la supremazia, le aziende stanno già iniziando a sperimentare computer quantistici realizzati da aziende come Ibm, Google, Rigetti e D-Wave, un’azienda canadese.

Anche società cinesi come Alibaba offrono l’accesso a macchine quantistiche. Alcune aziende acquistano computer quantistici, mentre altre utilizzano servizi di cloud computing come quelli offerti da Aws o Microsoft.

I campi di utilizzo del quantum computing

Una delle applicazioni più promettenti dei computer quantistici è la simulazione del comportamento della materia  fino al livello molecolare. I produttori di auto stanno utilizzando computer quantistici per simulare la composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici per trovare nuovi modi per migliorare le loro prestazioni.
E le aziende farmaceutiche li stanno sfruttando per analizzare e confrontare composti che potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci.

I  computer quantistici sono potenzialmente molto validi anche per affrontare problemi di ottimizzazione, perché possono elaborare un gran numero di potenziali soluzioni in modo estremamente rapido.

Le aziende impegnate nell’avionica, ad esempio, iniziano ad usare il calcolo quantistico per valutare i percorsi di salita e discesa più efficienti in termini di consumo di carburante per gli aerei. Inoltre, ci si aspetta che il quantum computing possa offrire un contributo profondo allo sviluppo dell’intelligenza artificiale .

Saranno sicuramente necessari ancora diversi anni perché il quantum computing sia davvero pronto per fornire il proprio contributo.

È molto difficile ipotizzare un lasso temporale preciso in questo momento, tuttavia il massiccio impegno visto in tempi recenti da diversi pesi massimi del settore fa ben sperare in un’accelerazione.

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