In origine, l’ informatica quantistica era un concetto ideato dal fisico Richard Feynman, premio Nobel per la Fisica nel 1965. L’idea era quella di tradurre le proprietà meccaniche quantistiche al campo dell’informatica. Un sogno che potrebbe materializzarsi presto con la nascita di veri computer quantistici.

Cos’è l’informatica quantistica? Come funziona?

Se l’informatica tradizionale si basa sui bit, l’informatica quantistica si basa sui bit … quantistici o qubit . A differenza del suo collega binario, il qubit non è limitato a solo 0 e 1, poiché è in grado di prendere entrambi i valori contemporaneamente. Questo è chiamato il principio di sovrapposizione di stati . 

Ma questa non è l’unica peculiarità di questi elementi divertenti. Perché due qubit possono anche interagire, i loro stati si mescolano e diventano interdipendenti. Questo è chiamato entanglement . 

Queste caratteristiche non sono irrilevanti in termini di potenza di calcolo di una macchina. Infatti, a differenza di un computer tradizionale che deve procedere passo dopo passo, un computer quantico può accedere a una moltitudine di risultati contemporaneamente. 

Per una panoramica delle possibilità, prendi l’esempio della scomposizione di un numero in un prodotto di numeri primi (utilizzato in particolare nella crittografia dei dati). Dove l’operazione può richiedere centinaia di anni a una macchina convenzionale per un numero elevato, mentre un computer quantistico potrebbe impiegare solo pochi minuti.

Come produrre qubit?

Per beneficiare dei fantastici vantaggi dell’informatica quantistica, dobbiamo avere qubit e in grandi quantità. Il problema, come accennato in precedenza, è che in origine era solo una teoria. Di conseguenza, i ricercatori di tutto il mondo hanno moltiplicato le esperienze per trovare candidati credibili. 

Dopo molte prove più o meno riuscite, ora sembrano uscire due sistemi . Il primo consiste di ioni intrappolati cioè, gli atomi privi di uno o più elettroni e “imprigionati” sotto vuoto per mezzo di laser. Questo dispositivo mostra le migliori prestazioni quantistiche ottenute finora. Ma non è senza svantaggi: gli ioni intrappolati sono lenti da gestire e le tecniche impiegate sono difficili da riprodurre su larga scala. 

Un’altra soluzione: i circuiti superconduttori, in grado di condurre elettricità senza resistenza. Il loro comportamento è vicino agli atomi artificiali, gli scienziati sono riusciti a manipolare il loro stato quantico. 

E se i loro risultati sono peggiori di quelli degli ioni intrappolati, i circuiti superconduttori hanno il vantaggio di essere relativamente facili da produrre. Ciò spinge alcuni importanti attori, come IBM o Google, a favorire questo approccio. 

Tuttavia, una terza soluzione è emersa di recente. Consiste nello sfruttare, in una matrice di silicio , “giri” di elettroni, vale a dire le rotazioni degli elementi su se stessi. Una tecnologia ancora agli inizi, ma fonte di speranza per molti specialisti.

Chip progettato per funzionare come un processore di ottimizzazione quantistica superconduttore adiabatico da 128-qubit

Decoerenza: il granello di sabbia nella meccanica quantistica

Al momento non è possibile prevedere quale approccio si distingua e ognuno affronta un problema inerente al calcolo quantistico: decoerenza . 

Perché uno dei problemi del qubit risiede nella sua “fragilità”. A causa del suo ambiente (temperatura, campo magnetico …), un elemento quantistico tende spesso a perdere alcune delle sue proprietà . Questo fenomeno è chiamato “decoerenza”. La durata di conservazione delle proprietà quantistiche, per parte sua, è chiamata “tempo di coerenza”.

E per far funzionare un computer quantistico, non è necessario che questa durata sia inferiore al tempo di calcolo necessario. È quindi una grande sfida per i produttori, che devono investire in attrezzature per limitare la decoerenza. Ma questi componenti sono in genere molto costosi … 

In parallelo, i ricercatori stanno lavorando per correggere gli errori causati da questo fenomeno. La loro idea: un algoritmo in grado di correggere queste deviazioni più velocemente di quanto siano formate. Ma questa teoria porterebbe ad un aumento del numero di qubit necessari.

Concretamente, dove siamo oggi?

Oggi il record per il numero di qubit entangled è 20. Da parte sua, Google ha annunciato, nel 2018, di aver prodotto un processore quantico composto da 72 qubit . Ma non sappiamo quanti di loro abbiano veramente superato l’entanglement rivelatore. 

E per confronto, si ritiene generalmente che, idealmente, un computer quantistico dovrebbe contenere qualche migliaio di qubit . Quindi siamo ancora lontani dall’account …

Pertanto, la tendenza attuale è quella di rivedere le dichiarazioni al ribasso. Fino a quando non avremo macchine perfette, l’idea sarebbe quella di produrre dispositivi intermedi con meno qubit, per dimostrare la superiorità dell’informatica quantistica sul calcolo classico. 

Ad esempio, gli esperti dicono che i microcomputer quantistici con 50-100 qubit potrebbero arrivare tra circa cinque anni .

Applicazioni future dell’informatica quantistica

Naturalmente, queste prime macchine non saranno destinate principalmente al grande pubblico. 

Il calcolo quantistico potrebbe essere utilizzato per eseguire simulazioni complesse al fine, ad esempio, di sviluppare nuovi materiali o nuove molecole con proprietà innovative. 

Le nuove macchine potrebbero anche essere utili in missioni di ottimizzazione utili per il traffico stradale, il trasporto di energia o le previsioni finanziarie. 

Infine, i computer quantistici potrebbero apportare miglioramenti nel campo dell’intelligenza artificiale , in particolare l’apprendimento automatico

L’apprendimento automatico, attraverso l’elaborazione statistica di enormi quantità di dati, dovrebbe effettivamente vedere moltiplicata la sua velocità di analisi. Questo potrebbe avere più applicazioni, incluso il perfezionamento del motore di ricerca. Questo è uno dei motivi per cui Google è così interessato a questo campo … 

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