I COMPUTER QUANTISTICI

I COMPUTER QUANTISTICI

MOTIVATION:

COME FUNZIONANO I COMPUTER QUANTISTICI?

COSA POSSO FARE CON UN COMPUTER QUANTISTICO? ESEMPI

Un mondo piccolo

Dal 1960 a oggi la potenza dei nostri calcolatori ha continuato ad aumentare esponenzialmente, permettendo ai nostri computer di diventare più piccoli e più potenti allo stesso tempo.

Oggi i componenti dei computer sono così piccoli che sono composti di pochi atomi!

Questi componenti sono come degli interruttori, che fanno passare o bloccano l’elettricità, ovvero elettroni che si muovono da un posto all’altro. Quando l’elettricità passa, abbiamo il bit 1, quando è bloccata abbiamo il bit 0. Manipolando questi zeri e uni, possiamo fare tutte le operazioni possibili, da risolvere un’equazione matematica a un videogioco!

I componenti dei computer sono talmente piccoli ormai che la fisica quantistica sta complicando le cose: pensate che sono grandi circa 10 nanometri, ovvero 500 volte più piccoli di un globulo rosso! Gli elettroni, quando incontrano un interruttore chiuso composto da pochi atomi, possono superarlo ugualmente come se fosse aperto, grazie ad un fenomeno chiamato tunnel quantistico. I computer così non funzionano più! Siamo arrivati al limite dei computer come li conosciamo.

PERCHÉ STUDIARE I COMPUTER QUANTISTICI?

COME SONO FATTI I COMPUTER QUANTISTICI?

I qubit e la sovrapposizione

Nei computer normali i bit sono le unità di informazione: 0 e 1.

I computer quantistici usano invece i bit quantistici, o qubit. Anche loro possono valere 0 o 1, ma possono anche valere una qualsiasi sovrapposizione di 0 e 1. Quando misuriamo quanto vale un qubit, possiamo trovare 0 con una certa probabilità oppure 1 con un’altra probabilità. Fino a quando non facciamo la misura, il qubit vale 0 e 1 insieme, e non c’è modo di sapere quale dei due valori verrà fuori!

Se ho due bit classici, questi possono valere una sola di queste combinazioni alla volta:

00, 01, 10, oppure 11. I qubit invece possono valere tutte e quattro le combinazioni contemporaneamente! Così per 3 qubit ho 8 combinazioni, per 4 qubit ho 16 combinazioni, e così via, aumentando esponenzialmente il numero di valori che i qubit possono assumere in parallelo.

COME SI USANO I COMPUTER QUANTISTICI?

Le operazioni

Un computer tradizionale fa delle operazioni sui bit utilizzando delle porte logiche: ad esempio prende due bit e si chiede: valgono entrambi 1? Se la risposta è sì, allora il risultato è 1, altrimenti il risultato è 0.

Nei computer quantistici invece le operazioni sono diverse! Le porte logiche manipolano direttamente la probabilità che i qubit che sto utilizzando siano 0 oppure 1. Quindi un computer quantistico prende tanti qubit, manipola le probabilità che essi valgano 0 oppure 1, ne intreccia alcuni, manipola ancora le probabilità, e poi li misura per vedere quali valgono 0 e quali valgono 1. Siccome questi risultati si verificano con una certa probabilità, devo ripetere il conto più volte per vedere statisticamente quante volte ho trovato una sequenza di zeri e uni e quante volte ne ho trovata un’altra. Tuttavia, ho effettuato i conti contemporaneamente su un numero esponenzialmente grande di sequenze di zeri e uni (

dove n è il numero di qubit), quindi se ho fatto le operazioni giuste il conto sarà esponenzialmente più veloce di quanto possa fare un computer normale!

Cercare il mio film preferito

Per cercare qualcosa in un elenco, un computer normale potrebbe dover leggere tutto l’elenco. Un algoritmo quantistico impiega solo la radice quadrata di questo tempo, che per elenchi molto lunghi è una grossa differenza!

Suggerirmi altri film che possono piacermi

I computer normali possono già suggerirmi film che possono piacermi sulla base di quello che ho guardato, e di quello che hanno guardato le altre persone. Gli algoritmi che permettono di fare questo si chiamano «machine learning». I computer quantistici possono fare questi conti molto più rapidamente!

Farmi risparmiare su un biglietto per il giro del mondo

Se voglio fare il giro del mondo spendendo il meno possibile, devo controllare i prezzi di tutti i biglietti aerei di tutte le tappe del viaggio. Ma ci sono tantissime possibili tappe! Non è facile trovare la combinazione più economica, ma un computer quantistico può farlo più velocemente di uno normale. Questo si chiama «problema del commesso viaggiatore».

Scoprire nuove medicine e molecole utili

Le simulazioni di molecole sono molto pesanti perché le equazioni quantistiche sono molto complesse. Con un computer quantistico possiamo simulare la fisica quantistica direttamente con la fisica quantistica! Questo ci permetterà di trovare nuove medicine, e nuovi processi chimici più efficienti che permetteranno di risparmiare tantissima energia.

Leggere tutti i dati crittografati di internet

La crittografia su internet si basa quasi totalmente su un protocollo chiamato RSA. Il principio è semplice: dato un numero grande come 24511, è molto difficile trovare due numeri primi che moltiplicati tra loro diano questo numero: un computer normale ci metterebbe anni se il numero è abbastanza grande. Ma se so la soluzione, è molto facile verificarla: 127 x 193 = 24511. E’ così che posso nascondere le informazioni segrete su internet a chi non sa la chiave. Ebbene, per un computer quantistico risolvere questo problema è un gioco da ragazzi!

Siccome gli scienziati stanno ancora studiando qual è il modo migliore di costruire un computer quantistico, al momento ci sono diverse tipologie di computer, e non si sa quale alla fine risulterà la migliore.

Alcuni computer sono fatti con elettroni in materiali semiconduttori, altri con ioni intrappolati da dei laser, altri ancora sfruttano la polarizzazione della luce.

Quello che hanno in comune è che sfruttano sempre un sistema quantistico, che permette di avere una sovrapposizione di 0 e 1, quindi dei qubit.

Se non puoi sconfiggerli, unisciti a loro Gli scienziati tuttavia hanno trovato un modo di sfruttare questi strani comportamenti quantistici a loro vantaggio, per costruire computer ancora più potenti, computer quantistici!

Questi nuovi computer quantistici non sono semplicemente dei computer un po’

più veloci, sono qualcosa di completamente nuovo e possono fare dei conti prima impensabili.

L’entanglement

Una proprietà davvero strana e non intuitiva dei qubit è l’entanglement, una stretta relazione che fa sì che due qubit

“entangled”, o intrecciati, reagiscono ad un

cambiamento istantaneamente come se

fossero una cosa sola, anche se sono

distanti l’uno dall’altro. Ad esempio due

qubit possono essere intrecciati per avere

sempre lo stesso valore: quindi se misuro

uno dei due e vedo che vale 1, anche l’altro

vale sicuramente 1.