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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
I sistemi quantistici, come atomi e molecole, possono essere difficili o impossibili da simulare in un computer classico. Negli anni '80, Richard Feynman e Yuri Manin suggeriscono che l'hardware basato su fenomeni quantistici potrebbe essere più efficiente per la simulazione di sistemi quantistici rispetto ai computer convenzionali.
Esistono diversi motivi per cui i sistemi quantistici sono difficili da simulare nei computer normali. Un motivo principale è che, a livello quantistico, è descritto come una combinazione di più configurazioni (note come stati) contemporaneamente.
Gli stati quantistici aumentano in modo esponenziale
Si consideri un sistema di particelle e 40 possibili posizioni in cui queste particelle possono esistere. Il sistema potrebbe trovarsi in uno qualsiasi degli stati univoci di $2^{40}$ perché ogni posizione può avere o meno una particella. Se si tratta di particelle classiche, il sistema è sempre in uno dei $2^{40}$ stati, quindi un computer classico richiede solo 40 bit per descrivere lo stato del sistema. Ma se si tratta di particelle quantistiche, il sistema esiste in una combinazione di tutti i $2^{40}$ stati. Un computer classico deve archiviare $2^{40}$ numeri per descrivere il sistema quantistico, che richiede più di 130 GB di memoria. Tuttavia, un computer quantistico richiede solo 40 bit quantistici per descrivere questo sistema quantistico.
Se aggiungiamo un'altra posizione al sistema in modo che gli elettroni possano esistere in 41 posizioni, il numero di configurazioni univoche del sistema raddoppia a $2^{41}$. L'archiviazione dello stato quantistico in un computer classico richiederebbe più di 260 GB di memoria. Non possiamo giocare a questo gioco di aumentare il numero di posizioni per sempre. Per archiviare uno stato quantistico in un computer convenzionale, si superano rapidamente le capacità di memoria dei computer più potenti del mondo. A poche centinaia di elettroni, la memoria necessaria per archiviare il sistema supera il numero di particelle nell'universo. Non c'è speranza con i nostri computer convenzionali di simulare completamente la dinamica quantistica per sistemi più grandi!
Trasformare la difficoltà in opportunità
L'osservazione di questa crescita esponenziale ha posto una domanda potente: è possibile trasformare questa difficoltà in un'opportunità? Se i sistemi quantistici sono difficili da simulare su computer normali, cosa accadrebbe se si crei un computer che usa effetti quantistici per le operazioni fondamentali? È possibile simulare sistemi quantistici con una macchina che sfrutta esattamente le stesse leggi della fisica? E potremmo usare questa macchina per analizzare altri problemi importanti al di fuori della meccanica quantistica? Questi sono i tipi di domande che hanno dato origine ai campi delle informazioni quantistiche e 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 potevano essere usati per risolvere i problemi troppo difficili da risolvere nei computer classici.
Nel 1994 Peter Shor scoprì un algoritmo quantistico per trovare i fattori primi di interi di grandi dimensioni. L'algoritmo di Shor viene eseguito in modo esponenziale più veloce rispetto all'algoritmo classico più noto per questo problema di fattorizzazione. Un algoritmo così veloce potrebbe potenzialmente interrompere molti dei nostri moderni sistemi di crittografia a chiave pubblica usati per proteggere le transazioni nell'e-commerce, ad esempio Rivest–Shamir–Adleman (RSA) e 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.
Da quel momento, sono stati sviluppati algoritmi quantistici veloci ed efficienti per altri problemi difficili da risolvere nei computer classici. Ad esempio, sono ora disponibili algoritmi quantistici per eseguire ricerche in un database non ordinato, per risolvere i sistemi di equazioni lineari, per eseguire l'apprendimento automatico e per simulare sistemi fisici in chimica, fisica e scienza dei materiali.
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.
I qubit svolgono un ruolo simile nel calcolo quantistico come i bit giocano nel calcolo classico, ma i qubit si comportano in modo diverso rispetto ai bit. I bit classici sono binari e, in qualsiasi momento, possono trovarsi solo in uno dei due stati, 0 o 1. Ma i qubit possono trovarsi in una sovrapposizione di entrambi gli stati 0 e 1 contemporaneamente. Infatti, ci sono infinite sovrapposizioni possibili di 0 e 1 e ognuna di esse è uno stato qubit valido.
Nel calcolo quantistico, le informazioni vengono codificate in sovrapposizioni degli stati 0 e 1. Ad esempio, 8 bit regolari possono codificare fino a 256 valori univoci, ma questi 8 bit possono rappresentare solo uno dei 256 valori alla volta. Con 8 qubit, è possibile codificare contemporaneamente tutti i 256 valori, perché i qubit possono trovarsi in una sovrapposizione di tutti i 256 stati possibili.
Per altre informazioni, vedere Qubit nel calcolo quantistico.
Quali sono i requisiti per creare un computer quantistico?
Un computer quantistico usa sistemi quantistici e le proprietà dei meccanismi quantistici per risolvere i problemi di calcolo. I sistemi in un computer quantistico sono costituiti dai qubit, dalle interazioni tra qubit e dalle operazioni sui qubit per archiviare e calcolare le informazioni. È possibile usare i computer quantistici per programmare effetti come l'entanglement quantistico e l'interferenza quantistica per risolvere in modo accurato determinati problemi più velocemente rispetto ai computer classici.
Per creare un computer quantistico, è necessario considerare come creare e archiviare i qubit. È anche necessario considerare come modificare i qubit e come misurare i risultati dei calcoli.
Le tecnologie di qubit più diffuse includono qubit a ioni intrappolati, qubit superconduttori e qubit topologici. Per alcuni metodi di archiviazione qubit, l'unità che ospita i qubit deve essere mantenuta a una temperatura quasi zero assoluta 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 tramite vari metodi, ad esempio microonde, laser o 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. Ti volti completamente a sinistra e poi 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).
Solo i sistemi quantistici come ioni, elettroni o circuiti superconduttori possono esistere negli stati di sovrapposizione che consentono la potenza del calcolo quantistico. Ad esempio, gli elettroni sono particelle quantistiche che hanno la propria &"rivolta verso sinistra o rivolta verso destra"& proprietà denominata spin. I due stati di rotazione sono chiamati spin up e spin down e lo stato quantistico di un elettrone è una sovrapposizione degli stati di spin up e spin down.
Per altre informazioni e fare pratica con la sovrapposizione, vedere Modulo di training: Esplorare la sovrapposizione con Q#.
Intreccio
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 puoi 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 ulteriori informazioni, vedere Esercitazione: Esplorare l'entanglement quantistico con Q# e, per un'implementazione pratica, controllare Modulo di formazione: Teletrasportare un qubit usando l'entanglement.