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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?

Un computer quantistico è costituito da tre parti principali:

  • Un'area che include i qubit
  • Un metodo per il trasferimento di segnali ai qubit
  • Un computer classico per l'esecuzione di un programma e l'invio di istruzioni

Per alcuni metodi di archiviazione dei qubit, l'unità che ospita i qubit viene mantenuta a una temperatura appena sopra zero assoluto per massimizzare la coerenza e ridurre l'interferenza. Altri tipi di alloggiamento dei qubit usano una camera sottovuoto per ridurre al minimo le vibrazioni e stabilizzare i qubit.

I segnali possono essere inviati ai qubit usando diversi metodi, tra cui microonde, laser e tensione.

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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