Il segreto della potenza di un computer quantistico sta nella sua capacità di generare e manipolare bit quantistici, o qubit.

Cos’è un qubit?

I computer di oggi usano i bit, un flusso di impulsi elettrici o ottici che rappresentano 1 o 0. Tutto, dai tuoi tweet alle e-mail, dalle canzoni di iTunes ai video di YouTube, sono essenzialmente lunghe stringhe di queste cifre binarie.

I computer quantistici, d’altra parte, usano i qubit, che sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni. Generare e gestire i qubit è una sfida scientifica e ingegneristica. Alcune aziende, come IBM, Google e Rigetti Computing, usano circuiti superconduttori raffreddati a temperature più fredde dello spazio profondo. Altre, come IonQ, intrappolano singoli atomi in campi elettromagnetici su un chip di silicio in camere sotto ultra alto vuoto. In entrambi i casi, l’obiettivo è quello di isolare i qubit in uno stato quantico controllato.

I qubit hanno alcune strane proprietà quantistiche che significano che un gruppo collegato di loro può fornire molta più potenza di elaborazione dello stesso numero di bit binari. Una di queste proprietà è nota come superposizione e un’altra è chiamata entanglement.

Cos’è la sovrapposizione?

IQubit possono rappresentare numerose combinazioni possibili di 1 e 0 allo stesso tempo. Questa capacità di essere simultaneamente in più stati è chiamata superposizione. Per mettere i qubit in superposizione, i ricercatori li manipolano usando laser di precisione o fasci di microonde.

Grazie a questo fenomeno controintuitivo, un computer quantistico con diversi qubit in superposizione può analizzare un vasto numero di risultati potenziali simultaneamente. Il risultato finale di un calcolo emerge solo una volta che i qubit vengono misurati, il che fa immediatamente “collassare” il loro stato quantico a 1 o 0.

Cos’è l’entanglement?

I ricercatori possono generare coppie di qubit che sono “entangled”, il che significa che i due membri di una coppia esistono in un unico stato quantico. Cambiare lo stato di uno dei qubit cambierà istantaneamente lo stato dell’altro in modo prevedibile. Questo accade anche se sono separati da distanze molto lunghe.

Nessuno sa veramente come o perché funziona l’entanglement. Ha persino sconcertato Einstein, che l’ha notoriamente descritto come “azione spettrale a distanza”. Ma è la chiave della potenza dei computer quantistici. In un computer convenzionale, raddoppiando il numero di bit si raddoppia la potenza di elaborazione. Ma grazie all’entanglement, l’aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica produce un aumento esponenziale della sua capacità di scricchiolare i numeri.

I computer quantistici sfruttano i qubit entangled in una specie di catena di margherita quantistica per fare la loro magia. La capacità delle macchine di accelerare i calcoli usando algoritmi quantistici appositamente progettati è il motivo per cui c’è così tanto fermento sul loro potenziale.

Questa è la buona notizia. La cattiva notizia è che le macchine quantistiche sono molto più soggette a errori dei computer classici a causa della decoerenza.

Cos’è la decoerenza?

L’interazione dei qubit con il loro ambiente in modi che causano il decadimento del loro comportamento quantistico e infine la loro scomparsa è chiamata decoerenza. Il loro stato quantico è estremamente fragile. La più piccola vibrazione o cambiamento di temperatura – perturbazioni conosciute come “rumore” in gergo quantistico – può farli uscire dalla sovrapposizione prima che il loro lavoro sia stato fatto correttamente. Ecco perché i ricercatori fanno del loro meglio per proteggere i qubit dal mondo esterno in quei frigoriferi super raffreddati e nelle camere a vuoto.

Ma nonostante i loro sforzi, il rumore causa ancora molti errori che si insinuano nei calcoli. Algoritmi quantistici intelligenti possono compensare alcuni di questi, e anche l’aggiunta di più qubit aiuta. Tuttavia, ci vorranno probabilmente migliaia di qubit standard per creare un singolo qubit altamente affidabile, conosciuto come un qubit “logico”. Questo assorbirà molta della capacità computazionale di un computer quantistico.

E qui sta il problema: finora i ricercatori non sono stati in grado di generare più di 128 qubit standard (vedi il nostro contatore di qubit qui). Quindi siamo ancora lontani molti anni dall’ottenere computer quantistici che saranno ampiamente utili.

Questo non ha intaccato le speranze dei pionieri di essere i primi a dimostrare la “supremazia quantistica”.”

Cos’è la supremazia quantistica?

È il punto in cui un computer quantistico può completare un calcolo matematico che è dimostrabilmente al di là della portata anche del più potente supercomputer.

Non è ancora chiaro esattamente quanti qubit saranno necessari per raggiungere questo risultato perché i ricercatori continuano a trovare nuovi algoritmi per aumentare le prestazioni delle macchine classiche, e l’hardware di supercomputing continua a migliorare. Ma i ricercatori e le aziende stanno lavorando duramente per rivendicare il titolo, eseguendo test contro alcuni dei più potenti supercomputer del mondo.

C’è molto dibattito nel mondo della ricerca su quanto sia significativo raggiungere questa pietra miliare. Piuttosto che aspettare che venga dichiarata la supremazia, le aziende stanno già iniziando a sperimentare con i computer quantistici realizzati da aziende come IBM, Rigetti e D-Wave, una società canadese. Anche aziende cinesi come Alibaba stanno offrendo l’accesso a macchine quantistiche. Alcune aziende stanno acquistando computer quantistici, mentre altre stanno usando quelli messi a disposizione attraverso servizi di cloud computing.

Dove un computer quantistico potrebbe essere più utile prima?

Una delle applicazioni più promettenti dei computer quantistici è quella di simulare il comportamento della materia fino al livello molecolare. I produttori di automobili come Volkswagen e Daimler stanno usando i computer quantistici per simulare la composizione chimica delle batterie dei veicoli elettrici per aiutare a trovare nuovi modi per migliorare le loro prestazioni. E le aziende farmaceutiche li stanno sfruttando per analizzare e confrontare i composti che potrebbero portare alla creazione di nuovi farmaci.

Le macchine sono anche ottime per i problemi di ottimizzazione perché possono scricchiolare attraverso un gran numero di potenziali soluzioni estremamente veloci. Airbus, per esempio, le sta usando per calcolare le traiettorie di salita e discesa degli aerei più efficienti dal punto di vista del carburante. E Volkswagen ha presentato un servizio che calcola i percorsi ottimali per gli autobus e i taxi nelle città al fine di minimizzare la congestione. Alcuni ricercatori pensano anche che le macchine potrebbero essere usate per accelerare l’intelligenza artificiale.

Potrebbero volerci alcuni anni perché i computer quantistici raggiungano il loro pieno potenziale. Le università e le aziende che lavorano su di loro stanno affrontando una carenza di ricercatori qualificati nel campo e una mancanza di fornitori di alcuni componenti chiave. Ma se queste nuove esotiche macchine da calcolo mantengono la loro promessa, potrebbero trasformare intere industrie e mettere il turbo all’innovazione globale.