Computer quantistici e fisica quantistica

Un computer quantistico è un progetto informatico che utilizza i principi della fisica quantistica per aumentare il potere computazionale oltre ciò che è raggiungibile da un computer tradizionale. I computer quantistici sono stati costruiti su piccola scala e il lavoro continua ad aggiornarli a modelli più pratici.

Come funzionano i computer

I computer funzionano memorizzando i dati in un formato numerico binario, il che si traduce in una serie di 1 e 0 conservati in componenti elettronici come i transistor. Ogni componente della memoria del computer è chiamato a po e può essere manipolato attraverso i passaggi della logica booleana in modo che i bit cambino, in base agli algoritmi applicati dal programma per computer, tra le modalità 1 e 0 (a volte denominate "on" e "off").

Come funzionerebbe un computer quantistico

Un computer quantistico, d'altra parte, memorizzerebbe le informazioni come 1, 0 o sovrapposizione quantistica dei due stati. Tale "bit quantico" consente una flessibilità molto maggiore rispetto al sistema binario.

In particolare, un computer quantistico sarebbe in grado di eseguire calcoli su un ordine di grandezza molto maggiore rispetto ai computer tradizionali ... un concetto che ha serie preoccupazioni e applicazioni nel campo della crittografia e della crittografia. Alcuni temono che un computer quantistico di successo e pratico possa devastare il sistema finanziario mondiale rompendo le loro crittografie di sicurezza informatica, che si basano sul factoring di grandi numeri che letteralmente non possono essere violati dai computer tradizionali durante la vita dell'universo. Un computer quantistico, d'altra parte, potrebbe fattorizzare i numeri in un periodo di tempo ragionevole.

Per capire come questo accelera le cose, considera questo esempio. Se il qubit si trova in una sovrapposizione dello stato 1 e dello stato 0 e ha eseguito un calcolo con un altro qubit nella stessa sovrapposizione, un calcolo ottiene effettivamente 4 risultati: un risultato 1/1, un risultato 1/0, un 0/1 e un risultato 0/0. Questo è il risultato della matematica applicata a un sistema quantistico quando si trova in uno stato di decoerenza, che dura finché si trova in una sovrapposizione di stati fino a quando non collassa in uno stato. La capacità di un computer quantistico di eseguire più calcoli contemporaneamente (o in parallelo, in termini di computer) è chiamata parallelismo quantistico.

L'esatto meccanismo fisico al lavoro all'interno del computer quantistico è in qualche modo teoricamente complesso e intuitivamente inquietante. In generale, è spiegato in termini di interpretazione multi-mondo della fisica quantistica, in cui il computer esegue calcoli non solo nel nostro universo ma anche in altro universi contemporaneamente, mentre i vari qubit sono in uno stato di decoerenza quantistica. Sebbene ciò sembri inverosimile, l'interpretazione multi-mondo ha dimostrato di fare previsioni che corrispondono ai risultati sperimentali.

Storia del calcolo quantistico

Il calcolo quantistico tende a risalire alle sue radici in un discorso del 1959 di Richard P. Feynman in cui parlava degli effetti della miniaturizzazione, inclusa l'idea di sfruttare gli effetti quantistici per creare computer più potenti. Questo discorso è anche generalmente considerato il punto di partenza della nanotecnologia.

Naturalmente, prima che gli effetti quantistici dell'informatica potessero essere realizzati, scienziati e ingegneri dovevano sviluppare più pienamente la tecnologia dei computer tradizionali. Questo è il motivo per cui, per molti anni, ci sono stati pochi progressi diretti, e nemmeno interessi, nell'idea di trasformare in realtà i suggerimenti di Feynman.

Nel 1985, l'idea di "porte della logica quantistica" fu proposta dall'Università di Oxford, David Deutsch, come mezzo per sfruttare il regno quantico all'interno di un computer. In effetti, l'articolo di Deutsch sull'argomento mostrava che qualsiasi processo fisico poteva essere modellato da un computer quantistico.

Quasi un decennio dopo, nel 1994, Peter Shor di AT&T ideò un algoritmo che poteva usare solo 6 qubit per eseguire alcune fattorizzazioni di base ... più cubiti più complessi diventavano i numeri che richiedevano la fattorizzazione, ovviamente.

È stata costruita una manciata di computer quantistici. Il primo, un computer quantistico a 2 qubit nel 1998, poteva eseguire calcoli banali prima di perdere la decoerenza dopo pochi nanosecondi. Nel 2000, i team hanno costruito con successo sia un computer quantico a 4 qubit che un 7 qubit. La ricerca sull'argomento è ancora molto attiva, anche se alcuni fisici e ingegneri esprimono preoccupazione per le difficoltà legate al passaggio di questi esperimenti a sistemi di calcolo su vasta scala. Tuttavia, il successo di questi primi passi dimostra che la teoria fondamentale è solida.

Difficoltà con i computer quantistici

Il principale svantaggio del computer quantistico è lo stesso della sua forza: la decoerenza quantistica. I calcoli dei qubit vengono eseguiti mentre la funzione dell'onda quantistica si trova in uno stato di sovrapposizione tra stati, che è ciò che le consente di eseguire i calcoli usando entrambi gli stati 1 e 0 contemporaneamente.

Tuttavia, quando viene effettuata una misurazione di qualsiasi tipo in un sistema quantistico, la decoerenza si interrompe e la funzione d'onda collassa in un singolo stato. Pertanto, il computer deve in qualche modo continuare a fare questi calcoli senza che siano state effettuate misurazioni fino al momento giusto, quando può quindi uscire dallo stato quantico, avere una misurazione presa per leggere il suo risultato, che poi viene passato al resto di il sistema.

I requisiti fisici per manipolare un sistema su questa scala sono considerevoli, toccando i regni dei superconduttori, della nanotecnologia e dell'elettronica quantistica, così come altri. Ognuno di questi è di per sé un campo sofisticato che è ancora completamente sviluppato, quindi cercare di unirli tutti insieme in un computer quantistico funzionale è un compito che non invidio particolarmente nessuno ... tranne la persona che alla fine riesce.