Che cos'è il calcolo quantistico?

Consiste nell'uso della meccanica quantistica per eseguire calcoli su hardware specializzato.

Introduzione al calcolo quantistico

Per definire completamente il calcolo quantistico, è necessario definire prima di tutto alcuni termini essenziali.

Che cos'è un quantum?

Il termine quantistico in "calcolo quantistico" fa riferimento alla meccanica quantistica usata dal sistema per calcolare gli output. In fisica il quantum è l'unità discreta più piccola possibile di qualsiasi proprietà fisica. Fa in genere riferimento alle proprietà delle particelle atomiche o subatomiche, ad esempio elettroni, neutrini e fotoni.

Che cos'è un qubit?

Un qubit è un'unità di base delle informazioni nel calcolo quantistico. I qubit svolgono nel calcolo quantistico un ruolo simile a quello dei bit nel calcolo classico, ma si comportano in modo molto diverso. I bit classici sono binari e possono avere solo una posizione 0 o 1, ma i qubit possono mantenere una sovrapposizione di tutti gli stati possibili.

Che cos'è il calcolo quantistico?

I computer quantistici sfruttano il comportamento esclusivo della fisica quantistica, ad esempio la sovrapposizione, l'entanglement e l'interferenza quantistica, e lo applicano al calcolo. Questo approccio introduce nuovi concetti nei metodi di programmazione tradizionali.

Sovrapposizione

Nella sovrapposizione le particelle quantistiche sono una combinazione di tutti gli stati possibili. Fluttuano fino a quando non vengono osservate e misurate. Un modo per illustrare la differenza tra la posizione binaria e la sovrapposizione consiste nell'immaginare una moneta. I bit classici vengono misurati lanciando la moneta e facendo testa o croce. Se tuttavia fosse possibile guardare una moneta e vedere contemporaneamente testa e croce, oltre a tutti gli stati intermedi, la moneta sarebbe in uno stato di sovrapposizione.

Entanglement

L'entanglement è la possibilità delle particelle quantistiche di correlare tra loro i risultati della misurazione. In caso di entanglement, i qubit formano un singolo sistema e si influenzano reciprocamente. È possibile usare le misurazioni da un qubit per trarre conclusioni sugli altri. Mediante l'aggiunta e l'entanglement di più qubit in un sistema, i computer quantistici possono calcolare un numero esponenzialmente superiore di informazioni e possono risolvere problemi più complicati.

Interferenza quantistica

L'interferenza quantistica è il comportamento intrinseco di un qubit, dovuto alla sovrapposizione, per influenzare la probabilità del qubit di collassare in un modo o in un altro. I computer quantistici sono stati progettati e creati per ridurre il più possibile l'interferenza e assicurare i risultati più accurati. A questo scopo, Microsoft usa qubit topologici, che vengono stabilizzati manipolando la struttura e circondandoli con composti chimici che li proteggono da interferenza esterna.

Come funziona il calcolo quantistico?

A quantum computer has three primary parts:

  • An area that houses the qubits
  • A method for transferring signals to the qubits
  • A classical computer to run a program and send instructions

For some methods of qubit storage, the unit that houses the qubits is kept at a temperature just above absolute zero to maximize their coherence and reduce interference. Other types of qubit housing use a vacuum chamber to help minimize vibrations and stabilize the qubits.

Signals can be sent to the qubits using a variety of methods, including microwaves, laser, and voltage.

Usi e aree di applicazione dei computer quantistici

Un computer quantistico non può eseguire tutte le operazioni più velocemente rispetto a un computer classico, ma in alcune aree i computer quantistici possono avere un impatto significativo.

Simulazione quantistica

I computer quantistici funzionano in modo eccezionalmente efficace per la modellazione di altri sistemi quantistici perché usano fenomeni quantistici nei calcoli. Possono quindi gestire la complessità e l'ambiguità dei sistemi che sovraccaricherebbero i computer classici. Gli esempi di sistemi quantistici che possono essere modellati includono la fotosintesi, la superconduttività e le formazioni molecolari complesse.

Crittografia

La crittografia classica, ad esempio l'algoritmo RSA (Rivest-Shamir-Adleman) ampiamente usato per proteggere la trasmissione dei dati, si basa sulla complessità di problemi quali la fattorizzazione di interi o gli algoritmi discreti. Molti di questi problemi possono essere risolti in modo più efficiente usando i computer quantistici.

Ottimizzazione

L'ottimizzazione è il processo di individuazione della migliore soluzione a un problema, in base al risultato desiderato e ai vincoli. Nel settore scientifico e nel settore industriale le decisioni critiche sono basate su fattori quali costo, qualità e tempo di produzione e tutti questi aspetti possono essere ottimizzati. Grazie all'esecuzione di algoritmi di ottimizzazione quantum-inspired su computer classici, è possibile trovare soluzioni in precedenza impossibili. Questo approccio consente di trovare modalità migliori per gestire sistemi complessi quali flussi di traffico, assegnazioni di gate negli aeroporti, recapito di pacchi e immagazzinamento dell'energia.

Machine Learning quantistico

Machine Learning nei computer classici sta rivoluzionando il mondo della scienza e del business. Il training dei modelli di Machine Learning comporta tuttavia costi di calcolo elevati e ciò ha limitato l'ambito e lo sviluppo del campo. Per accelerare il progresso in questa area, stiamo esplorando modi per progettare e implementare software quantistico che consente di accelerare il Machine Learning.

Ricerca

Un algoritmo quantistico sviluppato nel 1996 ha accelerato notevolmente la soluzione di ricerche di dati non strutturati, eseguendo la ricerca in un minor numero di passaggi rispetto a qualsiasi algoritmo classico.

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