Computer quantistico
Un computer quantistico è, per definizione, un computer che si basa sulle leggi della fisica e della meccanica quantistica per l’elaborazione dei dati. Per fare questo usa come unità fondamentale il qubit. Questo termine, letteralmente “quantum bit“, indica l’unità di informazione quantistica. La differenza con i computer come tutti li conosciamo, sta nell’unità fondamentale che in quest’ultimi è il bit. Attualmente esistono diversi sistemi basati su pochi qubit, tuttavia, la ricerca si sta concentrando sullo sviluppo di sistemi di Quantum Computing. In alternativa si mira anche alla costruzione di computer quantistici, basati su centinaia o migliaia di qubit. Ciononostante, né la manipolazione controllata di atomi e particelle, né la stesura di algoritmi adatti, sono obiettivi facili da raggiungere, quindi la strada per realizzare questi dispositivi è ancora agli inizi.
Computer quantistico: cos’è e come funziona
Con computing quantistico si intende lo studio di un modello di computazione non-classico. I modelli tradizionali infatti si basano su rappresentazioni “classiche” della memoria computazionale. Tuttavia una computazione quantistica può cambiare la memoria sovrapponendo più strati di quella classica. Un computer quantistico, anche detto quantico, è, quindi, un dispositivo capace di effettuare tali computazioni. I quantum bit, unità dei computer quantistici, sfruttano alcune leggi della fisica e meccanica quantistica come:
- la sovrapposizione di stati,
- l’entanglement,
- l’interferenza quantistica,
Con la prima proprietà si intende la sovrapposizione degli stati quantistici, che permette i calcoli in parallelo. Grazie a questa proprietà si possono realizzare calcoli estremamente complessi, riducendo i tempi da anni a minuti. L’entanglement è, invece, il legame che unisce due qubit, accelerando il processo di calcolo. Un qubit, infatti, può produrre una forte influenza su un altro nonostante i due siano distanti. L’interferenza quantistica, diretta conseguenza del primo principio, permette di misurare i qubit basandosi sulla loro natura ondulatoria.
Cos’è l’interferenza
L’interferenza, in sé, rappresenta la sovrapposizione di due o più onde. Se la sovrapposizione fa coincidere creste o ventri, ovvero massimi e minimi dell’onda, oppure se creste e ventri coincidono formando un’onda che è la somma delle onde sovrapposte, si possono avere interferenze costruttive. Quando a sovrapporsi sono cresta di un’onda e ventre di un’altra, le due onde si annullano a vicenda creando interferenze distruttive.
Superamento della legge di Moore
Per decenni la legge di Moore ha determinato l’andamento dello sviluppo dei computer. Questa recita “La complessità di un microcircuito, misurata ad esempio tramite il numero di transistor per chip, raddoppia ogni 18 mesi”. Questo processo però si è fermato a causa delle leggi della meccanica quantistica. Risultava impossibile infatti aumentare ulteriormente la densità dei transistor e ridurre le dimensioni dei circuiti integrati. Queste infatti erano state le modifiche effettuate fino ad ora per incrementare le prestazioni dei microprocessori. Così si è iniziato a pensare come si potesse progredire nello sviluppo senza procedere alla miniaturizzazione dei circuiti. Un’intuizione dell’informatica teorica ha aiutato in questo processo. Sfruttando la meccanica quantistica si è riusciti a raggiungere una potenza di calcolo superiore a quella dei computer basati sul calcolo elettronico. Così si è iniziato a pensare che questo nuovo aspetto dell’informatica possa superare la legge di Moore.
Sviluppo dell’idea di computing quantistico
Si concretizza l’idea teorica di un computer quantistico che, invece di essere basato sui bit (binary digit), le unità di informazione che codificano due stati, ovvero aperto e chiuso (1 e 0), sfrutta quelli che vengono chiamati qubit. Questi sono unità dell’informazione quantistica e sono codificati non solo da 1 o 0 ma dallo stato quantistico di un elemento che può avere contemporaneamente sia valore 1 che 0. Condizione che assume un significato notevole se analizzata su ampia scala. Basti pensare che, secondo questa legge, in un computer quantistico gli n qubit possono trovarsi in una qualsiasi sovrapposizione fino a 2 alla n stati diversi. Le particelle atomiche e subatomiche possono infatti esistere in una sovrapposizione di stati quantistici notevole. Questo accresce le possibilità di codifica delle informazioni, fornendo così la possibilità di sfruttare questa caratteristica per la risoluzione di problemi estremamente complessi, come quelli alla base dell’Intelligenza Artificiale.
Da dove nasce l’idea?
Ci si è posti il problema della realizzazione di un modello di calcolo computazionale, capace, come il cervello, di eseguire calcoli in parallelo. È nato così l’approccio teorico al computer quantistico. Quindi, il computer quantistico, è in grado di processare, contemporaneamente, tramite il calcolo parallelo, più soluzioni ad un problema. Questo evitando di svolgere calcoli sequenziali come invece viene fatto tramite l’elaborazione elettronica.