Preparandosi all’arrivo dei computer quantistici

Preparandosi all’arrivo dei computer quantistici

Introduzione: La meccanica quantistica nata circa un secolo fa avra’ degli effetti devastanti sul futuro delle tecnologie dell’informazione. Michele Mosca spiega con parole semplici in cosa consiste il nuovo paradigma introdotto dalla meccanica quantistica e come il  calcolo con computer quantistici rendera’ la crittografia che protegge i dati su internet facilmente attaccabile.

Cose da fare: Si tratta di un video di oltre un’ora sul canale youtube del Perimeter Institute of Teorethical Physics, l’organizzazione canadese dove Michele Mosca fa la sua ricerca . Cliccate sulla figura sopra per farlo partire. Il video e’ in inglese ma spiega la meccanica quantistica senza usare formule con disegni e dimostrazioni fatte con polarizzatori.

Cosa succede: Il passaggio al nuovo paradigma quantistico e’ simile al passaggio dal considerare la Terra piatta a considerarla sferica. Potete in molti problemi considerarla piatta ma se ad esempio, volete calcolare la rotta migliore per un aereoplano, dovete tener conto della sfericita’ della Terra. Nel caso della meccanica quantistica, essa ci permette di descrivere e calcolare il fatto che un oggetto puo’ essere contemporaneamente in due o piu’ stati diversi.

Nella fisica classica un oggetto che puo’ essere in due stati diversi puo’ rappresentare un bit ed ha un valore 1 oppure 0 . Un oggetto che rappresenta un qubit (l’equivalente del bit nel computer quantistico), e’ contemporaneamente nello stato 1  e 0. Si dice che e’ in una sovrapposizione dei due stati (vedi figura sopra).  La percentuale dei due stati nella sovrapposizione e’ indicata in meccanica quantistica dai due strani numeri 0,7071 per lo 0 e -0,7071 per l’1. Il significato di questi numeri diventa chiaro se ne facciamo il quadrato: questo e’ 0,5. La somma dei quadrati e’ 1. I due numeri indicano che, quando si fa una misura per vedere con quale dei due stati abbiamo a che fare, otteniamo il 50% delle volte 0 e il restante 50% 1.

In un qubit potete avere tutte le combinazioni dei due stati possibili: basta che la somma dei quadrati sia uguale a 1. Ma perche’ non si usano direttamente le probabilita’ per esprimere questo fatto? In effetti le radici quadrate delle probabilita’ (dette ampiezze)  possono essere anche negative e descrivono meglio quello che succede. Michele Mosca lo spiega mostrando quello che succede in un semplice esperimento con raggi di luce laser : la luce della sorgente puo’ seguire quattro cammini diversi e in uno di questi le ampiezze si annullano e si vede che il raggio viene bloccato. Questo risultato e’ inspiegabile con la fisica classica.

Un computer quantistico fatto da tre qubit

Poi Michele Mosca considera un computer quantistico di tre soli qubit(vedi figura sopra). Se si trattasse di un computer classico avremmo solo tre bit con 8 valori possibili : 000,001,010,011,100,101,110,111 .  Nel computer quantistico invece bisogna considerare i tre qubit come una sovrapposizione degli 8 stati diversi . In definitiva i 3 qubit sono descritti dalle 8 ampiezze . Se un’ampiezza e’ 0 i tre bit corrispondenti non si presenteranno mai nel risultato finale del calcolo; viceversa un’ampiezza che si avvicina a +1 o -1 indica una combinaziione che si presenta quasi sempre come risultato dell’algoritmo.

Lo scopo di un programmatore di un tale computer quantistico e’ di interferire sul sistema di 3 qubit(rappresentati da atomi) usando impulsi laser in modo da aumentare l’ampiezza della sequenza di bit che indica il risultato corretto e diminuire l’ampiezza per quelli che danno un risultato sbagliato.

A questo punto vengono descritti alcuni problemi adatti ad essere risolti con computer quantistici contenenti alcune decine di questi qubit. Da notare il numero molto basso di qubit richiesti per risolvere problemi che in un computer normale richiederebbero memorie con un numero grandissimo di bit. Il trucco e’ nel fatto che noi ora, se interagiamo col sistema quantistico di n qubit senza fare misure, possiamo memorizzare una quantita’ enorme di informazione perche’ il sistema e’ formato dalla sovrapposizione di 2^n stati! Questa mole enorme di informazioni e’ processata in parallelo da tutti i qubit del computer quantistico. Quando siamo sicuri che l’algoritmo e’ terminato (cioe’ che c’e’ uno stato con ampiezza uguale 1 o -1  che corrisponde alla soluzione), possiamo fare una misura e sapere finalmente qual’e’ la sequenza di bit della soluzione.

Il computer quantistico e’ ancora al livello dei prototipi con pochi qubit e secondo Michele Mosca occorreranno alcuni anni per avere i primi computer commerciali. Nonostante questo sono stati gia’ messi a punto algoritmi che funzioneranno su questi computer. Uno di questi algoritmi puo’ trovare  in poco tempo i due numeri sui quali si basa la crittografia che protegge tutta l’informazione di Internet. Tutto questo richiede la scelta di nuovi algoritmi che funzionano sia con i computer normali che con quelli quantistici. E questo va fatto al piu’ presto in modo da cominciare subito il passaggio ai nuovi metodi di sicurezza informatica ed essere pronti quando i primi computer quantistici commerciali entreranno in funzione.

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Altri applet di meccanica quantistica

Il materiale ha come indirizzo  https://www.youtube.com/watch?v=vWP4LF2hz80
Titolo in inglese: As We Enter a New Quantum Era
Autore: Michele Mosca
© Perimeter Institute for Theoretical Physics

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