I computer quantistici: come funzionano e quali sono le loro applicazioni

I computer quantistici sono uno dei più grandi progressi della scienza moderna e la loro comprensione è fondamentale per il futuro della tecnologia. A differenza dei computer tradizionali, che utilizzano bit binari per rappresentare l’informazione, i computer quantistici utilizzano qubit, che possono essere in uno stato di sovrapposizione. Ciò permette a questo nuovo tipo di computer di effettuare operazioni che sarebbero impossibili per i computer tradizionali, offrendo una vasta gamma di applicazioni pratiche.

Cosa sono i qubit?

Per capire come funzionano i computer quantistici, è importante comprendere il concetto di qubit, ovvero il “quantum bit”. Il qubit è l’unità di informazione quantistica, l’equivalente del bit nel computer classico. Tuttavia, a differenza del bit, che può essere solo 0 o 1, il qubit può essere sia 0 che 1 allo stesso tempo, grazie al principio di sovrapposizione già visto in “I cinque Postulati della Meccanica Quantistica”.

In altre parole, un qubit è un sistema che può essere in uno dei due stati di base quantistici, rappresentati come e , ma può anche essere in una sovrapposizione di questi due stati, rappresentata come una combinazione lineare degli stati di base. Questa è la notazione di Dirac che viene spesso utilizzata per rappresentare i qubit. Ad esempio, un qubit in una sovrapposizione quantistica, può essere rappresentato come: , dove e sono numeri complessi che rappresentano la probabilità di trovare il qubit nello stato o rispettivamente.

La proprietà di sovrapposizione quantistica è ciò che rende i qubit tanto potenti. Mentre un bit può rappresentare solo uno dei due stati, un qubit può rappresentare entrambi contemporaneamente. Inoltre, i qubit possono essere intrecciati, il che significa che la misura di uno dei qubit influisce sulla misura dell’altro, anche se sono distanti l’uno dall’altro. Questa proprietà di intreccio quantistico è alla base di molti potenti algoritmi.

Nei computer quantistici, i qubit vengono utilizzati per eseguire operazioni matematiche su larga scala contemporaneamente, sfruttando il principio di sovrapposizione. Ad esempio, l’algoritmo di Grover sfrutta questo principio per trovare un elemento in un database non strutturato in modo più efficiente di quanto sia possibile con un computer classico. Allo stesso modo, l’algoritmo di Shor sfrutta la sovrapposizione e l’intreccio quantistico per fattorizzare grandi numeri in modo molto più veloce di quanto sia possibile con un computer classico.

Tuttavia, l’implementazione pratica dei qubit è molto difficile. I qubit sono molto delicati, essendo sensibili ai disturbi ambientali e alle interazioni con l’ambiente circostante, il che può causare la decoerenza, ovvero la perdita della sovrapposizione quantistica. Inoltre, i qubit devono essere controllati con estrema precisione, il che richiede l’uso di tecnologie avanzate come i campi magnetici, le microonde e i laser.

Esistono diverse tecnologie per la creazione di qubit, tra cui i qubit superconduttivi, i qubit a ioni intrappolati, i qubit a singolo fotone e i qubit a singolo flusso di neutroni. Ciascuna di queste tecnologie presenta vantaggi e svantaggi, e la ricerca continua a cercare il modo migliore per creare e controllare i qubit.

In sintesi, i qubit sono quindi l’unità di informazione utilizzata nei computer quantistici e sono diversi dai bit dei computer classici in quanto possono rappresentare più stati contemporaneamente grazie al principio di sovrapposizione. La sovrapposizione e l’intreccio quantistico dei qubit sono alla base della maggior parte dei nuovi algoritmi che si stanno studiando, ma la creazione e il controllo dei qubit sono ancora sfide fondamentali nella costruzione dei computer quantistici.

Quali applicazioni esistono?

Questo nuovo tipo di computer ha il potenziale per rivoluzionare numerosi settori grazie alla sua capacità di elaborare informazioni in modo esponenzialmente più veloce rispetto ai computer classici. Di seguito sono elencate alcune delle applicazioni più promettenti:

1. Simulazione molecolare: la simulazione molecolare è una delle loro applicazioni più promettenti, poiché consente di simulare la struttura e la dinamica delle molecole in modo molto più preciso e veloce rispetto ai computer classici. Ciò può avere importanti applicazioni nella scoperta di nuovi farmaci, nell’ottimizzazione di processi chimici e nella progettazione di nuovi materiali.
2. Ottimizzazione dei processi: possono essere anche utilizzati per risolvere problemi di ottimizzazione in modo molto più veloce rispetto ai computer classici, ad esempio per la pianificazione dei trasporti, la gestione delle scorte e la programmazione della produzione.
3. Crittografia: nella crittografia quantistica ci consentono di creare comunicazioni sicure e inviolabili. Questo tipo di crittografia si basa sul principio della non clonazione quantistica, che garantisce che le informazioni trasmesse siano al sicuro da qualsiasi tentativo di intercettazione.
4. Machine learning: risultano accelerare i processi di elaborazione dei dati e di analisi tramite machine learning. Ciò può avere importanti applicazioni in diversi settori, come l’analisi dei dati biomedici, la previsione del mercato finanziario e la pianificazione delle attività di produzione.
5. Fisica e astronomia: possono tornare anche molto utili per simulare fenomeni fisici complessi, come la dinamica delle particelle subatomiche e la struttura del cosmo. Ciò può aiutare i fisici a risolvere alcuni dei misteri più profondi dell’universo.

Il contributo di Cambridge Quantum

Cambridge Quantum è un’azienda leader nel campo dei computer quantistici e dell’informatica quantistica. Fondata nel 2014, Cambridge Quantum ha sede a Cambridge, nel Regno Unito, ed è stata fondata da un team di esperti di informatica quantistica, fisica quantistica, crittografia e sicurezza informatica.

La società si è concentrata sulla creazione di soluzioni software e hardware per la costruzione di computer quantistici, sviluppato un’architettura modulare per la loro costruzione, chiamata “t|ket>”, che semplifica la creazione di algoritmi quantistici e la traduzione di tali algoritmi in hardware quantistico.

Questa azienda sta lavorando su diverse di queste applicazioni. Ad esempio, la società ha sviluppato un algoritmo quantistico per la simulazione molecolare chiamato Variational Quantum Eigensolver (VQE), che consente di simulare la struttura delle molecole in modo molto più preciso rispetto ai computer classici. La società sta anche collaborando con partner accademici e industriali per sviluppare soluzioni di ottimizzazione basate su computer quantistici. In particolare, con il Max Planck Institute for Quantum Optics, Cambridge Quantum ha anche sviluppato un nuovo approccio alla simulazione molecolare chiamato Quantum-assisted Deep Learning (QDL), che combina l’elaborazione quantistica con l’apprendimento automatico per simulare molecole ancora più complesse.

Cambridge Quantum sta inoltre sviluppando soluzioni di crittografia quantistica, come ad esempio una piattaforma per la gestione delle chiavi crittografiche di tipo quantistico, chiamata IronBridgeTM, che offre una maggiore sicurezza rispetto alle tecnologie di crittografia tradizionali. Inoltre, Cambridge Quantum sta collaborando con l’Università di Oxford per sviluppare una soluzione di crittografia quantistica basata su lattice, che potrebbe essere utilizzata per proteggere le comunicazioni in modo sicuro e inviolabile.

La società sta anche sviluppando soluzioni di machine learning basate su questi nuovi computer, che possono essere utilizzate per l’analisi dei dati e la previsione del mercato finanziario. L’azienda ha infatti sviluppato un algoritmo quantistico per l’analisi dei dati chiamato Quantum k-means, che consente di eseguire l’analisi dei dati in modo molto più veloce rispetto ai computer classici. In questo settore, Cambridge Quantum sta collaborando con la società di gestione patrimoniale JP Morgan per sviluppare soluzioni di machine learning basate su computer quantistici per la previsione del mercato finanziario.

Come si vede tutte queste applicazioni sono rivolte a dei mercati concreti e ben specifici. Infatti, l’azienda si sta portando avanti nella realizzazione e commercializzazione di questi prodotti, anche grazie ad una joint venture con Honeywell, una delle principali società di tecnologia al mondo, con la quale sviluppa soluzioni di computer quantistici basati su trappole ioniche, che offrono una maggiore stabilità e affidabilità rispetto ad altre tecnologie quantistiche.

Quindi, in definitiva, i computer quantistici hanno il potenziale per rivoluzionare numerosi settori, dalle scienze dei materiali alla crittografia, dalla medicina alla finanza e rappresentano una delle tecnologie più promettenti del XXI secolo. Cambridge Quantum sta facendo importanti passi avanti in questo settore, sviluppando soluzioni innovative e collaborando con partner accademici e industriali per portare queste tecnologie sul mercato. Aspettiamo per vedere i frutti di questo lavoro.