Come funziona un computer quantistico

Come funziona un computer quantistico

Introduzione: Perche’ si parla tanto dei computer quantistici e puo’ davvero rimpiazzare in futuro i nostri computer?

Cose da fare: Si tratta di un breve video della raccolta Veritasium su youtube. Cliccate sulla figura sopra per farlo partire. Il video e’ in inglese ma pieno di immagini e buffe animazioni dell’autore da renderlo comprensibile anche a chi non capisce bene l’inglese.

Cosa succede:  Un computer quantistico memorizza i dati in qubit invece che in bit e sfrutta fenomeni quantistici come la sovrapposizione degli stati e l’entanglement per operare su questi dati. Il computer quantistico ancora non esiste ma la creazione e la messa in opera di piccoli assemblaggi di qubit sta procedendo spedita.

La differenza essenziale tra il vostro computer e il futuro computer quantico e’ che la singola unita’ d’informazione binaria invece di essere rappresentata da un dispositivo classico come un interruttore (acceso/spento 1/0) e’ rappresentata da un dispositivo quantistico: ad esempio un elettrone con spin su/giu’. In apparenza sembra la stessa cosa ma invece e’ qualcosa di completamente diverso.

Prendete un raggruppamento di 3 bit: esso puo’ rappresentare 2^3=8 numeri interi da 000 a 111. All’inizio del calcolo impostate uno degli 8 numeri. Dopodiche’ applicate l’algoritmo. A ogni passo uno dei 3 numeri puo’ cambiare da 1 a 0 o da 0 a 1. Alla fine il risultato sara’ sempre un numero degli 8. Questo risultato e’ quello “corretto” perche’ il nostro computer e’ deterministico. Cioe’ a ogni passo , dato un certo valore dei tre bit e una certa operazione, il risultato e’ sempre lo stesso.

Se ora invece passiamo al computer quantico: l’inizio e la fine del calcolo sono uguali. Abbiamo 3 qubit; li impostiamo dando una sequenza di spin su e giu’ appropriata a seconda che usiamo uno degli otto valori da 000 a 111. La fine del calcolo e’ identica: misuriamo lo stato dei 3 elettroni e a seconda dei loro spin abbiamo uno degli otto numeri. Ma il risultato non e’ esatto!Se rifacciamo il calcolo otteniamo risultati diversi. Il motivo di questo e’ che le operazioni eseguite nell’algoritmo sono operazioni quantistiche su un sistema quantico formato da 3 qubit.

Il risultato di ogni operazione quantistica su questi 3 qubit non consiste nel cambiare alcuni spin su o giu’ ma in uno stato che e’ la sovrapposizione degli 8 possibili stati quantistici. Questo si scrive dando 8 numeri a,b,…,h che sommati danno probabilita’ 1. Possiamo cioe’, dopo ogni passo, dire solo che con una probabilita’ a il risultato e’ 000, b 001,…  h 111.
A ogni passo dell’algoritmo queste probabilita’ cambiano. Che succede alla fine, quando leggiamo il risultato? Possiamo ottenere un risultato qualsiasi! In effetti solo girando piu’ volte l’algoritmo possiamo, dopo un certo numero di prove, dire quali erano i valori dei numeri a,…,h alla fine.

Ed ecco alcune importanti conseguenze di tutto questo:

  1.   Un computer quantistico con n qubit vi permette di rappresentare contemporaneamente 2^n variabili.Questo e’ un numero enorme se tenete conto che per soli 300 qubit avreste 2^300 variabili che e’ un numero che supera quello di tutte le particelle dell’universo.
  2. Il fatto che il risultato finale non e’ sicuro al 100%(deterministico) non rende il computer quantico molto piu’ efficiente dei computer normali in certe applicazioni.
  3. Invece sono stati scritti algoritmi quantici che sfruttano al massimo questa possibilita’ di operare in parallelo su tutte queste variabili. Applicati ad alcuni problemi come la craccatura dei codici ora usati per cifrare i messaggi su Internet, rendono questi problemi risolubili in tempi brevi.
  4. Quindi non aspettatevi di usare a breve computer quantici sul vostro tavolo, ma quando arriveranno potremo affrontare tutta una serie di problemi che sono fuori portata delle nostre macchine
  5. Tra i problemi piu’ importanti che potremo affrontare sono quelli della simulazione di sistemi quantistici : ad esempio quello del ripiegamento delle proteine (protein folding).

Commenti: Ecco un’altra presentazione in inglese che spiega il funzionamento di un computer quantistico:Quantum computation: Michelle Simmons at TEDxSydney
Quantum computation: Michelle Simmons at TEDxSydney

Altri applet di meccanica quantistica

Il materiale ha come indirizzo  http://www.youtube.com/watch?v=g_IaVepNDT4 e proviene dalla raccolta di video Veritasium

Titolo in inglese: Wave mechanics : How does a quantum computer work?

Ricerca di pagine che hanno link a questo materiale .

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