Informatica quantistica

Calcolo quantistico è un modello di calcolo che utilizza fenomeni quantistici – sovrapposizione, interferenza ed entanglement – ​​per elaborare le informazioni in modi che nessun computer classico può imitare in modo efficiente. Per un piccolo insieme di problemi scelti con cura, un grande computer quantistico tollerante ai guasti potrebbe fornire enormi accelerazioni; per la maggior parte delle attività quotidiane non offre alcun vantaggio. Capire qual è il nocciolo della questione.

Il qubit

L'unità di base è qubit. Un bit classico è 0 o 1; un qubit può occupare una sovrapposizione di entrambi, scritto

|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩,  |α|² + |β|² = 1

dove α e β sono ampiezze complesse. Misurando il qubit si ottiene 0 con probabilità |α|² o 1 con probabilità |β|² e collassa la sovrapposizione. Il potere non sta nel fatto che un qubit "memorizza entrambi i valori contemporaneamente" (la misurazione restituisce comunque un singolo bit), ma nel fatto che n i qubit condividono uno stato descritto da 2ⁿ ampiezze che evolvono e interferire insieme.

Perché interferenza e non parallelismo

Un algoritmo quantistico non si limita a testare tutte le possibilità in parallelo e a leggere la risposta. Dispone le ampiezze in modo che i percorsi che conducono a risposte sbagliate si annullino a causa di un'interferenza distruttiva mentre i percorsi che conducono alla risposta giusta si rinforzano. L’intera arte della progettazione di algoritmi consiste nell’ingegnerizzare tale cancellazione. Senza di esso, il 2ⁿ le ampiezze sono inaccessibili: la misurazione restituirebbe semplicemente un risultato casuale.

Gli algoritmi di punta

Algoritmo di Shor (1994) fattorizzano grandi numeri interi in tempo approssimativamente polinomiale, esponenzialmente più velocemente del metodo classico più conosciuto. Poiché la sicurezza della crittografia RSA si basa sulla difficoltà del factoring, un computer quantistico su larga scala potrebbe romperla: il motivo per cui la crittografia “post-quantistica” viene ora standardizzata. Algoritmo di Grover cerca un elenco non strutturato di N elementi in circa √N passaggi anziché N, un'accelerazione quadratica (non esponenziale). Altrettanto importante è simulazione quantistica: modellazione di molecole e materiali il cui comportamento quantistico supera i computer classici, una probabile prima applicazione pratica nella chimica e nella progettazione di farmaci.

La barriera ingegneristica

I qubit sono fragili. Qualsiasi accoppiamento vagante con l'ambiente provoca decoerenza, rimescolando il calcolo. L'hardware leader - circuiti superconduttori (Google, IBM) e ioni intrappolati (IonQ, Quantinuum) - combatte questo problema con isolamento e raffreddamento estremi, ma i qubit fisici rimangono rumorosi. Il percorso verso le macchine utili passa attraverso correzione dell'errore quantistico, che distribuisce un qubit "logico" affidabile su molti qubit fisici; le stime attuali richiedono da centinaia a migliaia di qubit fisici per qubit logico, ben oltre i dispositivi odierni.

Un malinteso comune

I computer quantistici non sono semplicemente “computer più veloci”. Non sono migliori con i fogli di calcolo, i video o la maggior parte dei software e non sostituiranno le macchine classiche. Il loro vantaggio è limitato a strutture problematiche specifiche – fattorizzazione, ricerca, simulazione, ottimizzazione certa – in cui è possibile sfruttare l’interferenza quantistica. Dimostrazioni di supremazia quantistica segnare traguardi scientifici su parametri di riferimento artificiosi, non su un’ampia superiorità pratica.