Che cos'è il calcolo quantistico?
Il calcolo quantistico promette di risolvere alcune delle sfide più grandi del nostro pianeta, nelle aree dell'ambiente, dell'agricoltura, della salute, dell'energia, del clima, della scienza dei materiali e altro ancora. Per alcuni di questi problemi, l'elaborazione classica è sempre più difficile con l'aumentare delle dimensioni del sistema. Se progettato per la scalabilità, i sistemi quantistici avranno probabilmente funzionalità che superano quelle dei supercomputer più potenti di oggi.
Questo articolo illustra i principi del calcolo quantistico, il confronto con il calcolo classico e il modo in cui usa i principi della meccanica quantistica.
Cronologia del calcolo quantistico
L'idea di un computer quantistico è nata dalla difficoltà di simulare i sistemi quantistici in un computer classico. Negli anni '80, Richard Feynman e Yuri Manin suggeriscono indipendentemente che l'hardware basato su fenomeni quantistici potrebbe essere più efficiente per la simulazione di sistemi quantistici rispetto ai computer convenzionali.
Esistono molti modi per descrivere i motivi per i quali la meccanica quantistica è difficile da simulare. Il più semplice consiste nel vedere che òa materia, a livello quantistico, si trova in una moltitudine di configurazioni possibili (note come stati).
Gli stati quantistici aumentano in modo esponenziale
Si consideri un sistema di elettroni in cui ci sono $40$ posizioni possibili, dove ogni posizione può avere o meno un elettrone. Il sistema potrebbe quindi trovarsi in una qualsiasi delle configurazioni di $2^{40}$ (poiché ogni posizione ha due possibili configurazioni, avere un elettrone o essere vuoto). Per archiviare lo stato quantistico degli elettroni in una memoria computer convenzionale sarebbe necessario oltre $130$ GB di memoria! Se si aumenta il numero di posizioni possibili a $41$, ci sarebbero due volte più configurazioni a $2^{41}$ che a sua volta richiederebbero più di $260$ GB di memoria per archiviare lo stato quantistico.
Questo gioco di aumentare il numero di posizioni non può essere giocato a tempo indeterminato. A poche centinaia di elettroni la memoria necessaria per archiviare il sistema supera il numero di particelle nell'universo; pertanto non c'è speranza con i computer convenzionali di simulare le dinamiche quantistico.
Trasformare la difficoltà in opportunità
L'osservazione di questa crescita esponenziale ha portato lo scienziato a porre una domanda potente: potremmo simulare i sistemi quantistici usando una macchina che sfrutta esattamente le stesse leggi della fisica? E potremmo usare quei computer per analizzare altre attività cruciali per noi? Queste domande hanno portato alla genesi del calcolo quantistico.
Nel 1985, David Deutsch ha dimostrato che un computer quantistico potrebbe simulare in modo efficiente il comportamento di qualsiasi sistema fisico. Questa individuazione è stata la prima indicazione che i computer quantistici potrebbero essere usati per risolvere i problemi intrattabili nei computer classici.
Nel 1994 Peter Shor scoprì un algoritmo quantistico per il factoring di interi che viene eseguito in modo esponenziale rispetto all'algoritmo classico più noto. La risoluzione della fattorizzazione rende possibile l’interruzione di molti dei nostri sistemi di crittografia a chiave pubblica alla base della sicurezza dell'e-commerce odierno, tra cui RSA e la crittografia a curva ellittica. Questa scoperta ha suscitato un grande interesse per il calcolo quantistico e ha portato allo sviluppo di algoritmi quantistici per molti altri problemi.
Che cos'è un qubit?
Proprio come i bit sono l'oggetto fondamentale delle informazioni nel calcolo classico, i qubit (bit quantistici) sono l'oggetto fondamentale delle informazioni nel calcolo quantistico.
Un qubit è un'unità di base delle informazioni nel calcolo quantistico. I qubit svolgono nel calcolo quantistico un ruolo simile a quello dei bit nel calcolo classico, ma si comportano in modo molto diverso. I bit classici sono binari e possono contenere solo una posizione pari $a 0$ o $1$, ma i qubit possono contenere una sovrapposizione di tutti gli stati possibili. Ciò significa che un qubit può trovarsi in uno stato pari a 0, 1 o qualsiasi sovrapposizione quantistica dei due. Esistono infinite sovrapposizioni di 0 e 1 e ognuna di esse è uno stato qubit valido.
Nel calcolo quantistico, le informazioni vengono codificate nella sovrapposizione degli stati 0 e 1. Ad esempio, con 8 bit, è possibile codificare $256$ valori diversi, ma è necessario sceglierne uno per codificarlo perché i 256 valori non possono coesistere. Con 8 qubit, è possibile codificare contemporaneamente i 256 valori. Questo comportamento è dovuto al fatto che un qubit può trovarsi in una sovrapposizione di tutti gli stati possibili.
Per altre informazioni, vedere Qubit nel calcolo quantistico.
Quali sono i requisiti per creare un computer quantistico?
Un computer quantistico è un computer che sfrutta i fenomeni meccanici quantistici. I computer quantistici usano gli stati quantistici della materia per archiviare e calcolare le informazioni. &Possono citare; program" i fenomeni quantistici per eseguire operazioni più veloci o migliori rispetto ai computer classici.
La creazione di un computer quantistico è una sfida di progettazione complessa che richiede una conoscenza approfondita della meccanica quantistica e la possibilità di controllare i sistemi quantistici su larga scala. Quando si compila un computer quantistico, è essenziale considerare come creare i qubit e come archiviarli, modificarli e leggere i risultati dei calcoli.
Ecco perché scienziati e ingegneri lavorano su tecnologie qubit diverse per creare computer quantistici, perché ogni tecnologia presenta vantaggi e svantaggi specifici. Le tecnologie qubit più usate sono qubit a ioni intrappolati, qubit superconduttori e qubit topologici. Per alcuni metodi di archiviazione di qubit, l'unità che ospita i qubit viene mantenuta a una temperatura vicina allo zero assoluto per massimizzare la coerenza e ridurre l'interferenza. Altri tipi di alloggiamento dei qubit usano una camera sottovuoto per ridurre al minimo le vibrazioni e stabilizzare i qubit. I segnali possono essere inviati ai qubit usando diversi metodi, tra cui microonde, laser e tensione.
I cinque criteri per un computer quantistico
Un computer quantistico valido deve avere queste cinque funzionalità:
- Scalabile: Può avere molti qubit.
- Inizializzabile: può impostare i qubit su uno stato specifico (in genere lo stato 0).
- Resiliente: Può mantenere i qubit nello stato di sovrapposizione per molto tempo.
- Universale: Un computer quantistico non deve eseguire tutte le operazioni possibili, ma solo un set di operazioni denominato set universale. Un set di operazioni quantistico universali è tale che qualsiasi altra operazione può essere scomposta in una sequenza di tali operazioni .
- Affidabile: Può misurare accuratamente i qubit.
Questi cinque criteri sono spesso noti come criteri di Di Vincenzo per il calcolo quantistico.
La creazione di dispositivi in grado di soddisfare questi cinque criteri è una delle sfide tecniche più complesse mai affrontate dal genere umano. Azure Quantum offre un'ampia gamma di soluzioni di calcolo quantistico con tecnologie qubit diverse. Per altre informazioni, vedere l'elenco completo dei provider di Azure Quantum.
Comprendere i fenomeni quantistici
I fenomeni quantistici sono i principi fondamentali che differenziano il calcolo quantistico dal calcolo classico. Comprendere questi fenomeni è fondamentale per comprendere il funzionamento dei computer quantistici e il motivo per cui mantengono tale potenziale. I due fenomeni quantistici più importanti sono la sovrapposizione e l'entanglement.
Sovrapposizione
Si supponga di svolgere attività fisica nel proprio soggiorno. Ci si volta completamente a sinistra e quindi completamente a destra. Provare quindi a voltarsi a sinistra e a destra contemporaneamente. Non è possibile farlo, o almeno, non senza dividersi a metà. Ovviamente, non è possibile trovarsi contemporaneamente in entrambi questi stati. Non si può essere rivolti verso sinistra e verso destra allo stesso tempo.
Tuttavia, se si è una particella quantistica, è possibile avere una certa probabilità di essere rivolti verso sinistra E una certa probabilità di essere rivolti verso destra a causa di un fenomeno noto come sovrapposizione (denominato anche coerenza).
A differenza delle particelle classiche, se due stati A e B sono stati quantistici validi di una particella quantistica, qualsiasi combinazione lineare degli stati è anche uno stato quantistico valido: $\text{stato}=\alpha qubit A + \beta B$.$ $$ $ Questa combinazione lineare degli stati quantistici $A$ e $B$ è detta sovrapposizione. $\alpha$ Qui, e $\beta$ sono le ampiezze di probabilità di $A$ e $B$, rispettivamente, in modo che $|\alpha|^{2}{ + |\beta|^{2}= 1$.
Solo i sistemi quantistici come quelli a ioni o circuiti superconduttori possono trovarsi negli stati di sovrapposizione che consentono di sfruttare la potenza del calcolo quantistico. Una particella quantistica, ad esempio un elettrone, ha la propria proprietà "rivolta verso sinistra o rivolta verso destra", ovvero spin, denominata su o giù, quindi lo stato quantistico di un elettrone è una sovrapposizione di &virgolette; spin up" and " spin down".
Per altre informazioni e fare pratica con la sovrapposizione, vedere Modulo di training: Esplorare la sovrapposizione con Q#.
Entanglement
Entanglement è una correlazione quantistica tra due o più sistemi quantistici. Quando due qubit sono entangled, vengono correlati e condividono le informazioni dei relativi stati in modo che lo stato quantistico dei singoli qubit non possa essere descritto in modo indipendente. Con l'entanglement quantistico è possibile conoscere solo lo stato quantistico del sistema globale, non i singoli stati.
I sistemi quantistici entangled mantengono questa correlazione anche se separati su distanze elevate. Ciò significa che qualsiasi operazione o processo applicato a un sottosistema è correlato anche agli altri sottosistemi. Di conseguenza, la misurazione dello stato di un qubit fornisce informazioni sullo stato dell'altro qubit. Questa particolare proprietà è molto utile nel calcolo quantistico.
Per altre informazioni, vedere Esercitazione: Esplorare l'entanglement quantistico con e, per un'implementazione pratica, vedere Training module: Teleport a qubit using entanglement (Esercitazione: Esplorare l'entanglement quantistico con Q# e, per un'implementazione pratica, vedere Training module: Teleport a qubit using entanglement).