Che cos'è un qubit?

È l'unità di informazioni fondamentale del calcolo quantistico

Spiegazione dei qubit

Esattamente come il bit binario è l'unità di informazioni di base in un calcolo classico o tradizionale, un qubit o bit quantistico è l'unità di informazioni di base nel calcolo quantistico. Il calcolo quantistico è alla base di nuove scoperte nel settore sanitario, energetico, dei sistemi ambientali, dei materiali intelligenti e altro ancora.

Confronto tra qubit e bit

I qubit sono rappresentati dalla sovrapposizione di più stati possibili

Un qubit usa i fenomeni meccanici quantistici della sovrapposizione per ottenere una combinazione lineare di due stati. Un bit binario classico può rappresentare solo un singolo valore binario, ad esempio 0 o 1, ovvero può trovarsi solo in uno di due stati possibili. Un qubit tuttavia può rappresentare uno 0, un 1 o qualsiasi proporzione di 0 e 1 nella sovrapposizione di entrambi gli stati, con una determinata probabilità che si tratti di uno 0 e una determinata probabilità che si tratti di un 1.

La sovrapposizione offre ai computer quantistici una capacità di calcolo superiore

La sovrapposizione consente agli algoritmi quantistici di elaborare le informazioni in una frazione del tempo che sarebbe necessario anche ai sistemi classici più veloci per risolvere determinati problemi.

  • La quantità di informazioni che può essere rappresentata da un sistema di qubit cresce in modo esponenziale. Le informazioni che possono essere rappresentate con facilità da 500 qubit non sarebbero possibili nemmeno con più di 2^500 bit classici.
  • Un computer classico avrebbe bisogno di milioni di anni per trovare i fattori primi di un numero a 2.048 bit. I qubit possono eseguire il calcolo in pochi minuti.

Sono disponibili molte implementazioni fisiche dei qubit

Mentre i computer classici usano chip familiari basati su silicio, i qubit, a volte definiti "qubit di computer quantistici", possono essere creati da ioni intrappolati, fotoni, atomi artificiali o reali oppure quasiparticelle. In base all'architettura e ai sistemi di qubit, alcune implementazioni richiedono che i qubit siano mantenuti a una temperatura vicina allo zero assoluto.

Sovrapposizione, interferenza ed entanglement

La sovrapposizione consente agli algoritmi quantistici di utilizzare altri fenomeni meccanici quantistici, ad esempio l'interferenza e l'entanglement. La combinazione di sovrapposizione, interferenza ed entanglement consente di creare capacità di calcolo in grado di risolvere problemi in modo esponenzialmente più veloce rispetto ai computer classici.

Interferenza

L'interferenza è una conseguenza della sovrapposizione. Gli stati dei qubit possono interferire tra loro perché ogni stato è descritto da un'ampiezza di probabilità, analoga alle ampiezze delle onde.

L'interferenza costruttiva migliora l'ampiezza, mentre l'interferenza distruttiva annulla l'ampiezza. Questi effetti vengono usati negli algoritmi del calcolo quantistico e li rendono fondamentalmente diversi dagli algoritmi classici. L'interferenza viene usata insieme all'entanglement per consentire l'accelerazione quantistica promessa dal calcolo quantistico.

Entanglement

Più qubit possono presentare l'entanglement quantistico. I qubit con entanglement sono sempre correlati tra loro per formare un singolo sistema. Anche quando sono infinitamente distanti, la misurazione dello stato di uno dei qubit consente di conoscere lo stato dell'altro, senza che sia necessario misurarlo direttamente.

L'entanglement è necessario per qualsiasi calcolo quantistico e non può essere eseguito in modo efficiente in un computer classico. Le applicazioni includono la fattorizzazione di numeri di grandi dimensioni (algoritmo di Shor) e la risoluzione di problemi di ricerca (algoritmo di Grover).

Il futuro dei qubit

Con il progredire delle tecnologie quantistiche, ci avviciniamo sempre più all'individuazione di soluzioni per alcuni dei problemi più complessi del mondo. Anche se questo nuovo paradigma ha un potenziale significativo, il calcolo quantistico è ancora nelle fasi preliminari.

I qubit sono fragili

Uno dei problemi più significativi del calcolo quantistico è costituito dalla natura fragile dei qubit. L'entanglement del sistema di qubit con il rispettivo ambiente, inclusa la configurazione delle misurazioni, potrebbe disturbare con facilità il sistema e provocare decoerenza. Sono quindi attualmente in fase di sviluppo evoluzioni per i metodi di costruzione dell'hardware e di correzione degli errori per il calcolo quantistico.

I qubit topologici sono più stabili

Per risolvere i problemi correlati alla fragilità, Microsoft usa qubit topologici, che vengono stabilizzati manipolando la struttura e circondandoli con composti chimici che li proteggono da contaminazione esterna. I qubit topologici sono protetti da disturbo grazie alle proprietà topologiche delle quasiparticelle e proteggono quindi meglio l'hardware quantistico di Microsoft da errori. L'incremento della stabilità faciliterà la scalabilità del computer quantistico per completare calcoli più lunghi e complessi e rendere disponibili soluzioni più complesse.

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