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Qubit e informatica quantistica, il futuro dei computer passa qui

Sfruttando le leggi della fisica e della meccanica dei quanti, è in grado di potenziare le capacità di calcolo delle CPU. Come funziona l'informatica quantistica

L’informatica quantistica (o quantum computing) è la branca di studi che si concentra sullo sviluppo di una tecnologia informatica basata sulla teoria dei quanti. In questo modo sarà possibile sviluppare computer che, seguendo i principi della fisica quantistica, abbiano un’enorme capacità di calcolo.

Alla base del funzionamento dei computer quantistici troviamo il qubit, “alter ego” del bit dell’informatica classica. Se quest’ultimo può assumere solo due valori ben determinati (convenzionalmente indicati con “0”e “1” e corrispondenti allo stato di carica di un transistor del chip), il bit quantistico può assumere diversi valori (risponde al “Principio di indeterminazione” di Heisenberg) ed essere contemporaneamente sia “0” sia “1”. Proprio per questo il qubit è maggiormente versatile e più potente rispetto alla sua alternativa “digitale”, permettendo di processare una quantità maggiore di informazioni.

L’entaglement e la sovrapposizione nell’informatica quantistica

(tratto da YouTube)

La sovrapposizione e l’entanglement sono due dei concetti cardine della teoria quanto-meccanica e concorrono alla grande capacità di calcolo dei computer quantistici. Il principio di sovrapposizione prevede che un elettrone immerso in un campo magnetico possa avere lo spin allineato con il campo (e in questo caso si dice che l’elettrone è in uno stato di spin-up) oppure avere uno spin opposto al campo (l’elettrone è in stato di spin-down). Per le leggi della quantistica, una particella può anche essere in uno stato di sovrapposizione e si comporta come se fosse sia in stato di spin-up sia in stato di spin-down. Se applicato all’informatica quantistica, il principio di sovrapposizione stabilisce che il qubit può assumere contemporaneamente i due stati del bit “classico” e valere “0” e “1” allo stesso tempo.

DWaveFonte foto: DWave System
Dwave, il computer quantistico di Google

Nell’entanglement, definito anche correlazione quantistica, le particelle che hanno interagito in passato conservano comunque una connessione tra loro (a patto che si trovino in un sistema completamente isolato). In questo modo, conoscendo lo spin di una particella si potrà conoscere automaticamente anche lo spin della seconda particella: se la prima è in spin-up, la seconda sarà in spin-down, indipendentemente dalla distanza che le divide. Nell’informatica quantistica ciò permette di trasferire informazioni da un capo all’altro del sistema (ma teoricamente anche da un capo all’altro del mondo) in maniera praticamente istantanea (non a caso si parla di teletrasporto quantico).

La combinazione di questi due principi consente di creare sistemi informatici – i computer quantistici, per l’appunto – caratterizzati da una grande capacità di calcolo e da un’immensa velocità di esecuzione. Se nell’informatica classica un sistema composto da due bit può memorizzare solo una delle quattro possibili combinazioni binarie (00, 01, 10, 11), un sistema quantistico di 2 qubit è in grado di archiviare tutte e quattro le combinazioni. Va da se che, continuando ad aggiungere qubit al sistema, le possibilità di archiviazione (e la capacità di calcolo) aumenterà esponenzialmente.

DWave informatica quantisticaFonte foto: DWave system
Particolare di DWave

Problemi dell’informatica quantistica

Ci sono ancora alcune lacune che limitano il pieno sviluppo di questa tecnologia. Per esempio le interferenze. Il computer quantistico deve, infatti, essere perfettamente isolato da qualsiasi interferenza per non avere un collasso nella fase di calcolo. Inoltre all’interno di questo sistema è molto difficile intervenire per la correzione di alcuni errori. In più vista la fragilità dell’insieme anche il recupero di dati in uscita dopo una fase di calcolo può mettere a rischio gli stessi dati.

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