Identikit del qubit: alla base del computer quantistico

Ai fisici teorici di solito piace affermare che “il mondo è quantistico”. Questa affermazione, che può sembrare radicale agli specialisti del campo, risulta addirittura alquanto criptica a chi ne è totalmente estraneo.
La meccanica quantistica ha la particolare caratteristica di essere allo stesso tempo la teoria fisica di maggior successo e quella più sconcertante, per fisici e non fisici, tanto da far affermare a quel genio di Richard Feynman che “nessuno effettivamente capisca la meccanica quantistica”.

La meccanica quantistica ha rivoluzionato anche la teoria dell’informazione e della computazione, le cui idee sono state riviste sulla base della nuova teoria.

L’informazione quantistica è per definizione quell’informazione immagazzinata, elaborata e trasmessa in sistemi fisici descritti dalla meccanica quantistica.

Come sappiamo, il concetto fondamentale alla base di un computer classico è il bit, che è solitamente definito come l’unità indivisibile di informazione classica.
Come il lancio di una moneta può dare come risultato “testa” o “croce”, un bit può essere in uno di due stati stabili classici, convenzionalmente indicati come 0 e 1. Quindi qualsiasi tipo di messaggio, trasmesso o immagazzinato, sarà codificato in una sequenza (stringa) di 0 e 1.

La computazione e l’informazione quantistiche sono costruite su un concetto analogo a quello dei bit, ovvero quello del qubit, abbreviazione di quantum bit.
Proprio come i bit, i qubit descrivono uno stato nel sistema quantistico più semplice possibile (tecnicamente sono elementi di uno spazio vettoriale bidimensionale) e possiamo quindi dire che rappresentino l’unità di informazione quantistica.

La differenza principale sta però nel fatto che un qubit può anche trovarsi in uno stato diverso da 0 o 1, ovvero in una loro combinazione lineare, detta sovrapposizione.
Il concetto di sovrapposizione è tipico della meccanica quantistica. Per questo un qubit non può essere ben rappresentato dalle due facce di una moneta, poiché questa è un sistema macroscopico e di conseguenza non un buon esempio di oggetto quantistico.

La casualità intrinseca (randomness) viene dalla proprietà degli stati quantistici di trovarsi in una sovrapposizione. Credits: PHD Comics

Possiamo piuttosto paragonare un qubit a un tipico esemplare di gatto di Schrödinger, particolare specie di felino quantistico: minacciato da una morte di tipo assolutamente random, chiuso in una scatola totalmente isolata dall’esterno, può essere vivo e morto, contemporaneamente, finché qualcuno non va a controllare come sta. Così un qubit può essere 0 o 1, o entrambi contemporaneamente, finché non viene misurato. In questo consiste la sovrapposizione.

Questa proprietà, insieme a quella ancora più singolare dell’entanglement quantistico, rende i qubit un’incredibile risorsa per diversi processi quantistici, come la crittografia quantistica, il teletrasporto quantistico e la codificazione superdensa.

Ma questo impianto teorico è soprattutto di estrema rilevanza per una delle ultime e più promettenti frontiere nella tecnologia, ovvero il computer quantistico, tanto che grandi aziende come Google, IBM e Intel si contendono, a colpi di processori e partnership autorevoli, il primato nel campo.
Uno dei principali vantaggi di questa nuova tecnologia è senza dubbio la velocità computazionale. Un computer quantistico può infatti svolgere in alcuni secondi delle operazioni per cui al supercomputer più veloce al mondo richiederebbero anni di elaborazione.

IBM, sistema a 50 qubit

Questo non vuol dire necessariamente che i computer quantistici siano definitivamente superiori a quelli classici, perché il loro stesso carattere quantistico gli impone anche importanti limiti. Per esempio, un concetto chiave nella realizzazione di un buon computer quantistico è la nozione di rumore quantistico (o decoerenza): i qubit, in quanto oggetti quantistici, sono infatti oggetti molto fragili e qualsiasi tipo di rumore o osservazione involontaria può portare a una perdita di dati.

Un computer quantistico deve quindi essere ben isolato per conservare le sue proprietà quantistiche, ma allo stesso tempo i suoi qubit devono essere accessibili per essere manipolati, per eseguire computazioni e leggerne i risultati. Una realizzazione sperimentale ottimale dovrebbe trovare quindi il giusto equilibrio tra queste richieste. I colossi della tecnologia fanno passi da gigante in questa direzione, ma un computer quantistico è ancora molto lontano dall’essere disponibile per il mercato di massa.

Tuttavia se pensiamo che solo pochi decenni fa un computer grande quanto un quaderno poteva essere solo materia di speculazione fantascientifica, non ci resta che aspettare con speranza le sorprese che ci rivelerà il futuro.

Sull’Autore

Sono laureata in fisica teorica e sono affascinata dall'infinitamente grande dell'Universo e dall'infinitamente piccolo del mondo quantistico. Gli oggetti del mondo in media scala mi lasciano in genere abbastanza indifferente, a parte i dischi di David Bowie.

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