Come funzionano i computer quantistici?

Come funzionano i computer quantistici?

I computer quantistici sono speciali perché utilizzano le leggi della fisica quantistica, che è la scienza che spiega come funzionano le cose molto, molto piccole, come gli atomi.

I computer classici

I computer che conosciamo usano qualcosa chiamato “bit” per fare i calcoli. Puoi pensare ai bit come a delle piccolissime luci che possono essere accese (1) o spente (0).

Tutte le operazioni che il computer fa, come navigare su internet o giocare, sono fatte usando una combinazione di questi 1 e 0.

I computer quantistici

I computer quantistici, invece, usano i “qubit”. I qubit sono come delle luci magiche che possono essere sia accese sia spente allo stesso tempo, grazie a una cosa chiamata sovrapposizione.

Questo significa che i computer quantistici possono fare molti più calcoli allo stesso tempo rispetto ai computer normali perché possono pensare a molte più cose allo stesso tempo rispetto ai computer normali. È un po’ come se tu potessi leggere e capire molti libri tutti insieme invece di uno alla volta. Questo li rende molto potenti e veloci nel risolvere problemi complicati.

Approfondiamo un po’ di più…

Immagina di avere una fila di interruttori della luce. In un computer normale, ogni interruttore può essere solo acceso o spento. Quindi, se hai 3 interruttori, ci sono 8 combinazioni possibili (spento/spento/spento, acceso/spento/spento, spento/acceso/spento, ecc.). Per trovare una specifica combinazione, devi controllare una per una.

Nel mondo dei computer quantistici, i qubit funzionano in modo diverso. Ogni qubit può essere in una sovrapposizione di stati, il che significa che può essere sia acceso sia spento allo stesso tempo.

Se hai 3 qubit, non devi più controllare ogni combinazione una per una. Invece, grazie alla sovrapposizione, puoi esplorare tutte le 8 combinazioni in un solo passaggio.

“Guardandoli” una sola volta, puoi scoprire simultaneamente se sono in uno stato, nell’altro, o in una combinazione di entrambi.

Questo è molto potente perché invece di dover controllare ogni combinazione separatamente, ottieni tutte le informazioni di cui hai bisogno in un solo “sguardo”.

Quindi, “guardando” i qubit una sola volta, scopri tutte le possibili configurazioni in cui possono trovarsi, cosa che in un calcolo classico richiederebbe molteplici passaggi per esaminare ogni singola configurazione.

Questa capacità di esaminare molteplici possibilità contemporaneamente è nota come “calcolo parallelo”. È come se invece di seguire un solo sentiero per volta in un labirinto, potessi dividerti in tante versioni di te stesso e percorrere tutti i sentieri nello stesso momento per trovare l’uscita più velocemente.

Questo è il motivo per cui i computer quantistici possono essere così potenti. Possono processare e analizzare enormi quantità di informazioni molto più velocemente di un computer normale, perché esplorano molte possibilità in una volta sola, anziché una alla volta.

“guardare”

Sino a qui abbiamo usato il verbo “guardare” metaforicamente per indicare la quantità d’informazione che possiamo ottenere lavorando su uno stato di sovrapposizione, ma in realtà non intendiamo dire che stiamo realmente osservando qualcosa.

L’osservazione

Osservare i qubit in un computer quantistico è un processo molto complesso e diverso dal semplice “guardare” qualcosa.

Nella fisica quantistica, il termine “osservare” non significa solo vedere con gli occhi, ma piuttosto fare una misurazione che ci dice in quale stato si trova un qubit.

In un computer quantistico, i qubit sono solitamente fatti di particelle subatomiche, come elettroni o fotoni, o sistemi atomici molto piccoli. Questi qubit sono mantenuti in uno stato di sovrapposizione, dove possono essere in più stati contemporaneamente, finché non vengono misurati.

Per “osservare” o misurare i qubit, i ricercatori usano strumenti speciali che possono essere laser, campi magnetici, microonde, o altre tecnologie sofisticate.

Quando misurano un qubit, questo “decide” di essere in uno dei suoi possibili stati (un po’ come per gli interrutori che decide di mostrare solo uno stato o l’altro, invece di entrambe). Questo processo è chiamato “collasso della funzione d’onda” nella fisica quantistica.

È importante sapere che misurare i qubit può essere molto delicato. La misurazione stessa può cambiare lo stato dei qubit a causa di qualcosa chiamato “effetto osservatore”. Questo significa che il solo atto di misurare può influenzare il risultato, rendendo l’osservazione in un computer quantistico una procedura molto precisa e complessa.

Va detto che nello stato di sovrapposizione del quibit è contenuta l’informazione di tutte le probabilità di ottenere i rispettivi risultati possibili mediante un’osservazione (nell’ esempio equivale a sapere a priori che c’è una probabilità del 20% che se guardo la luce sia accesa e l’80% che sia spenta)

Quindi, in breve, per osservare i qubit in un computer quantistico, si usano strumenti speciali e tecniche precise per misurarli, e questo processo determina in quale stato specifico si trovano i qubit in quel momento.

Il trucco per osservare ottenendo il massimo dell’informazione che desideriamo

Abbiamo detto che è possibile ottenere molta informazione grazie ad un solo sguardo.

Come si fa se l’osservazione fa collassare il qubit in un solo stato?

Quando “osservi” o misuri i qubit in un computer quantistico, come si è detto, vedi solo uno degli stati possibili in cui possono trovarsi. Questo è vero.

Il trucco sta in quello che succede prima della misurazione.

Prima di misurare, i qubit, grazie alla sovrapposizione, stanno lavorando su tutte le possibili soluzioni di un problema contemporaneamente. Immagina che ogni qubit esplori una strada diversa in un labirinto allo stesso tempo. Quando arriva il momento della misurazione, i qubit “collassano” in uno stato specifico, che è come trovare una delle possibili uscite del labirinto.

Ricordiamo che nello stato di sovrapposizione del quibit è contenuta l’informazione di tutte le probabilità di ottenere i rispettivi risultati possibili.

La magia del calcolo quantistico sta nel fatto che, mentre i qubit sono in sovrapposizione,

il computer quantistico organizza e manipola i loro stati in modo che, quando li misuri, la probabilità di trovare la risposta giusta o utile sia maggiore. In altre parole, anche se vedi solo una soluzione alla fine, il processo di calcolo quantistico ha organizzato le cose in modo che questa soluzione sia probabilmente la migliore o una delle migliori. In pratica la manipolazione cambia le probabilità di ottenere le diverse risposte, prima di fare la misura.

Quindi, anche se alla fine vedi solo uno stato, il lavoro di calcolo su tutte le possibili soluzioni è già stato fatto in parallelo dai qubit. La misurazione alla fine è come rivelare la soluzione migliore o più probabile dopo che tutti i calcoli sono stati eseguiti in parallelo.

Esempio

facciamo un esempio semplice per spiegare come funziona la manipolazione dei qubit in un computer quantistico.

Immagina di avere un mazzo di carte. Ogni carta può essere sia un asso sia un re, grazie alla magia della sovrapposizione. Ora, il tuo obiettivo è trovare una combinazione specifica di assi e re. In un gioco normale, dovresti girare le carte una per una per vedere se sono assi o re. Ma in un “gioco quantistico”, possiamo usare i qubit.

Sovrapposizione: Mettiamo ogni carta (qubit) in uno stato di sovrapposizione, quindi ogni carta è sia asso sia re allo stesso tempo. Questo è come preparare i qubit a esplorare tutte le possibili combinazioni.

Manipolazione: Ora, facciamo qualcosa di speciale. Manipoliamo le carte in modo che, quando le gireremo, le carte che formano la combinazione giusta (per esempio, due assi seguiti da due re) diventino più propense a mostrarsi. Questo è simile a programmare i qubit per influenzare il risultato finale verso la soluzione che stiamo cercando. Si tratta di modificare le probabilità a priori associate all’uscita del re e dell’asso.

Ad esempio, possiamo decidere che ogni volta che girerai una carta e troverai un asso, aumenterai leggermente la probabilità che la prossima carta sarà anch’essa un asso. E ogni volta che girerai un re, aumenti la probabilità che la prossima carta sarà un re. Questo è come usare le “porte logiche quantistiche” per cambiare la probabilità che un qubit sia in un certo stato.

Continuando a fare questo, le probabilità iniziano a cambiare in modo che, alla fine, quando girerai davvero le carte, è molto più probabile che le prime due saranno assi e le successive due saranno re.

Questo è simile a come, nel calcolo quantistico, le operazioni effettuate influenzano i qubit per aumentare la probabilità di ottenere la soluzione desiderata alla fine del processo. Questo si fa operando fisicamente mediante magneti, laser e altre azioni su fotoni o atomi o molecole.

Tornando all’esempio, quando finalmente giriamo le carte, grazie alla manipolazione fatta prima, c’è una buona probabilità che le prime carte siano due assi e le successive due siano re, proprio come volevamo. Questo è simile a misurare i qubit in un computer quantistico, dove la misurazione rivela uno stato specifico tra tutte le possibilità che erano in sovrapposizione.

In questo esempio, la “manipolazione” è la parte chiave. Nel mondo reale dei computer quantistici, questo si fa tramite calcoli complessi, usando proprietà come l’entanglement e le interferenze quantistiche, per aumentare la probabilità che, alla fine della misurazione, i qubit si trovino nello stato che dà la risposta corretta o utile al problema che stiamo cercando di risolvere.

Approfondisci il tema della computazione quantistica leggendo l’articolo

La computazione quantistica