Mi è stato chiesto di scrivere un articolo e mi è stato consigliato di parlare di informatica. Personalmente preferisco parlare di fisica piuttosto che di informatica, così per accontentare tutti ho deciso di parlare di entrambe le scienze nello stesso articolo, in particolare cercherò di spiegare cos'è e come funziona un computer quantistico.
È necessario introdurre un principio che sta alla base della meccanica quantistica: il principio di sovrapposizione. Questo principio afferma che i sistemi microscopici si trovano in uno stato quantistico costituito dalla sovrapposizione, cioè dalla combinazione lineare in termini matematici, di tutti i possibili stati in cui esso può esistere. Per capire meglio questo principio, contrario al “buon senso”, facciamo un esempio. Supponiamo di avere due palline, una rossa e una blu. Separiamo le palline mettendone ciascuna in una scatola. Mescoliamo le due scatole in modo da non sapere più dove si trova nè quella rossa nè quella blu. In meccanica quantistica ora ogni pallina è sia blu che rossa(notare che la pallina non è metà rossa e metà blu, ma completamente rossa e blu allo stesso tempo). Se apro una delle due scatole la pallina assumerà uno dei due colori in modo probabilistico, se diventa rossa allora l'altra diventa istantaneamente blu e viceversa. Definiamo anche lo stato fondamentale(E0), ovvero lo stato in cui si trova un atomo quando possiede la minima energia. Dopo questa premessa sorge spontanea una domanda: qual è la differenza sostanziale tra un computer quantistico e un computer classico? Il computer classico usa come quantità minima d'informazione il bit, che può assumere o il valore 0 o il valore 1. Il computer quantistico utilizza invece il qubit. Immaginiamo un atomo di idrogeno nello stato fondamentale, cui corrisponda una quantità di energia E0. Per scrivere un bit 0 su questo atomo non si fa nulla; per scrivervi 1 si eccita l’atomo portandolo a un livello energetico superiore, E1. Ciò si ottiene immergendolo in una luce laser costituita da fotoni. Se il fascio laser ha la giusta intensità ed è applicato per un tempo appropriato, l’atomo passa gradualmente dallo stato fondamentale allo stato eccitato perché il suo elettrone assorbe un fotone. Se l’atomo si trova già nello stato eccitato, lo stesso impulso gli fa emettere un fotone e lo fa passare nello stato fondamentale. In termini di registrazione di informazione, l’impulso ordina all’ atomo di cambiare il suo bit. Se però la luce appropriata viene applicata per metà del tempo necessario a far passare l’atomo da 0 a 1, quest’ultimo si viene a trovare in uno stato simile alla sovrapposizione dello stato corrispondente allo 0 e dello stato corrispondente all’1. Questo bit quantistico viene commutato solo a metà, mentre il bit classico vale sempre 0 o 1. Ora se in un computer classico voglio rappresentare il numero 57, avrò bisogno della sequenza 111001 formata da 6 bit. Supponiamo invece di avere 6 bit quantistici e di prepararli tutti nel loro stato di sovrapposizione tra 0 e 1. Otterremo ben 64 stati diversi, in cui troveremo non solo il numero 57, ma tutti i numeri naturali da 0 a 63. Se volessimo memorizzare solo il 57 dovremmo sottoporre lo stato finale a opportune manipolazioni. E’ però interessante segnalare come lo stesso numero di bit necessari per immagazzinare, a livello classico, un numero di 6 cifre, ci consente di disporre potenzialmente della registrazione di tutti i numeri con un massimo di 6 cifre in notazione binaria. Con 6 qubit i 64 stati possono essere memorizzati contemporaneamente grazie al principio di sovrapposizione. I computer quantistici hanno quindi maggiori potenzialità rispetto ai computer classici perché consentono la possibilità di eseguire operazioni che finora richiedevano tempi di calcolo lunghissimi, e che erano quindi praticamente irrealizzabili. Nonostante la realizzazione di computer quantistici funzionanti richiederà ancora molti anni, è già stato costruito il primo processore quantistico a 16 qubit, che lascia sperare in una rivoluzione nel campo dell'informatica.
cybertwin
È necessario introdurre un principio che sta alla base della meccanica quantistica: il principio di sovrapposizione. Questo principio afferma che i sistemi microscopici si trovano in uno stato quantistico costituito dalla sovrapposizione, cioè dalla combinazione lineare in termini matematici, di tutti i possibili stati in cui esso può esistere. Per capire meglio questo principio, contrario al “buon senso”, facciamo un esempio. Supponiamo di avere due palline, una rossa e una blu. Separiamo le palline mettendone ciascuna in una scatola. Mescoliamo le due scatole in modo da non sapere più dove si trova nè quella rossa nè quella blu. In meccanica quantistica ora ogni pallina è sia blu che rossa(notare che la pallina non è metà rossa e metà blu, ma completamente rossa e blu allo stesso tempo). Se apro una delle due scatole la pallina assumerà uno dei due colori in modo probabilistico, se diventa rossa allora l'altra diventa istantaneamente blu e viceversa. Definiamo anche lo stato fondamentale(E0), ovvero lo stato in cui si trova un atomo quando possiede la minima energia. Dopo questa premessa sorge spontanea una domanda: qual è la differenza sostanziale tra un computer quantistico e un computer classico? Il computer classico usa come quantità minima d'informazione il bit, che può assumere o il valore 0 o il valore 1. Il computer quantistico utilizza invece il qubit. Immaginiamo un atomo di idrogeno nello stato fondamentale, cui corrisponda una quantità di energia E0. Per scrivere un bit 0 su questo atomo non si fa nulla; per scrivervi 1 si eccita l’atomo portandolo a un livello energetico superiore, E1. Ciò si ottiene immergendolo in una luce laser costituita da fotoni. Se il fascio laser ha la giusta intensità ed è applicato per un tempo appropriato, l’atomo passa gradualmente dallo stato fondamentale allo stato eccitato perché il suo elettrone assorbe un fotone. Se l’atomo si trova già nello stato eccitato, lo stesso impulso gli fa emettere un fotone e lo fa passare nello stato fondamentale. In termini di registrazione di informazione, l’impulso ordina all’ atomo di cambiare il suo bit. Se però la luce appropriata viene applicata per metà del tempo necessario a far passare l’atomo da 0 a 1, quest’ultimo si viene a trovare in uno stato simile alla sovrapposizione dello stato corrispondente allo 0 e dello stato corrispondente all’1. Questo bit quantistico viene commutato solo a metà, mentre il bit classico vale sempre 0 o 1. Ora se in un computer classico voglio rappresentare il numero 57, avrò bisogno della sequenza 111001 formata da 6 bit. Supponiamo invece di avere 6 bit quantistici e di prepararli tutti nel loro stato di sovrapposizione tra 0 e 1. Otterremo ben 64 stati diversi, in cui troveremo non solo il numero 57, ma tutti i numeri naturali da 0 a 63. Se volessimo memorizzare solo il 57 dovremmo sottoporre lo stato finale a opportune manipolazioni. E’ però interessante segnalare come lo stesso numero di bit necessari per immagazzinare, a livello classico, un numero di 6 cifre, ci consente di disporre potenzialmente della registrazione di tutti i numeri con un massimo di 6 cifre in notazione binaria. Con 6 qubit i 64 stati possono essere memorizzati contemporaneamente grazie al principio di sovrapposizione. I computer quantistici hanno quindi maggiori potenzialità rispetto ai computer classici perché consentono la possibilità di eseguire operazioni che finora richiedevano tempi di calcolo lunghissimi, e che erano quindi praticamente irrealizzabili. Nonostante la realizzazione di computer quantistici funzionanti richiederà ancora molti anni, è già stato costruito il primo processore quantistico a 16 qubit, che lascia sperare in una rivoluzione nel campo dell'informatica.
cybertwin
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