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FISICA DELLA COSCIENZA
MQ 12. «Computer Quantistico»


La Computazione Quantistica


La computazione classica, utilizzata in tutti i computer, si basa sul bit. Il bit è l'unità di informazione, che può assumere solo valore positivo o negativo, 0 o 1.
La computazione quantistica utilizza come unità di informazione il quantum bit o qubit, che, grazie al fenomeno della superposizione, può avere valore 0, 1 ma anche stati sovrapposti di 0 ed 1 (con la sola, importante limitazione che non siamo in grado di osservarli).

Il qubit è un'entità paradossale, prima di una misurazione presenta un numero infinito di combinazioni possibili, così da permettere, almeno in linea di principio, la rappresentazione tramite un unico qubit di tutto lo scibile umano. Un qubit, infatti, può essere rappresentato come un vettore all'interno di una sfera di raggio 1 (la cosiddetta "Sfera di Bloch") per cui può avere infinite rappresentazioni.



Rappresentazioni grafiche della "Sfera di Bloch" con cui può essere rappresentato un Qubit

Una breve animazione di un Qubit


Il problema sta nel fatto che al momento della misurazione si perde ogni sovrapposizione per cui noi possiamo vedere solo lo stato 0 o 1, esattamente come nella computazione classica.

Il modello di calcolo classico si basa sul modello teorico, strettamente deterministico, della  cosiddetta "Macchina di Turing" (MdT). La MdT è una macchina ideale, che contiene un repertorio infinito di istruzioni e una capacità infinita di calcolo. Si considera che per ogni problema calcolabile esista una MdT in grado di risolverlo. Una MdT Quantistica corrisponderebbe ad un calcolatore quantistico.

L'informatica quantistica è lo studio delle tecniche di calcolo che utilizzano i qubit per memorizzare e elaborare le informazioni, presenta dei principi molto diversi rispetto all'informatica classica:

  • No-cloning: l'informazione quantistica non può essere clonata, e quindi copiata, con assoluta fedeltà (altrimenti si infrangerebbe il Principio di Indeterminazione di Heisenberg poiché in un clone potrei determinare la posizione e in un altro la quantità di moto) e non può neppure essere letta con fedeltà assoluta.
  • L'informazione quantistica può essere trasferita con fedeltà assoluta, a patto che l'originale venga distrutto nel processo.
  • Ogni misura compiuta su di un sistema quantistico distrugge la maggior parte dell'informazione, lasciandolo in uno stato base (0 oppure 1). L'informazione distrutta non può essere recuperata.
  • Lo stato del sistema dopo una misura può essere determinato, per lo più, solo in modo probabilistico.
  • Alcuni osservabili non possono avere simultaneamente valori definiti con precisione (Principio di Indeterminazione) e questo impedisce sia di stabilire con esattezza le condizioni iniziali prima del calcolo, sia di leggerne i risultati con precisione.
  • L'informazione quantistica è solitamente codificata tramite le correlazioni non-locali tra parti differenti di un sistema fisico; si utilizza cioè l'entanglement (due qubit perdono la loro natura individuale e ne assumono una unitaria, lo stato di un qubit influenza l'altro e viceversa).


Qual è il potenziale di un computer quantistico? Nonostante alcune importanti limitazioni viste sopra, un computer quantistico possiederebbe una precisione infinita di calcolo, che sarebbe impossibile da ottenersi in modo classico. Inoltre potrebbe effettuare calcoli in parallelo (a causa della possibilità della superposizione) aumentando perciò in maniera esponenziale la velocità di elaborazione dei dati.

La prima idea di computer quantistico la espose Richard Feynman nel 1982. Nel 2000, Isaac Chuang e Michael Nielsen realizzarono un dispositivo a 7 qubit facendo interagire 7 nuclei di fluoro attraverso impulsi radio, rilevati poi da un apparecchio per risonanza magnetica nucleare molto simile a quelli utilizzati negli ospedali.



Rappresentazione dei possibili stati che può assumere
 un bit classico, un bit probabilistico (pbit) ed un bit quantistico (qubit)

 

Principali problemi da risolvere per creare un computer quantistico: poiché qualsiasi interazione con l'ambiente farebbe perdere le caratteristiche quantistiche al computer (a causa della decoerenza), come possiamo creare un sistema di elaborazione isolato dal mondo esterno in modo totale e permanente? Come si potrebbero introdurre  dei dati in un tale sistema e leggere i risultati in uscita senza perdere lo stato di isolamento?

Un elaboratore quantistico dovrebbe poter elaborare  un numero consistente di qubit senza l'intervento della decoerenza - ossia senza che ci sia il collasso dei qubit in bit classici - prima che l'elaborazione richiesta sia compiuta. La questione è aperta e le ricerche avanzano.


Per chi volesse approfondire l'argomento sul piano tecnico:

"Dal computer classico a quello quantistico: realizzabilità e potenziali applicazioni" [PDF]



Ricapitolando...

La meccanica quantistica ha scoperto che i quanti possiede delle proprietà straordinarie che potrebbero essere sfruttate per creare dei computer con delle eccezionali capacità di elaborazione dei dati. La natura instabile degli stati quantistici - in particolare nella loro osservazione - pone dei problemi pratici per poter creare un primo vero ed efficace computer quantistico!


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