L'importanza del qubit

1. IL QUBIT
E L’INFORMATICA
QUANTISTICA
FEDERICA PAOLINI
LICEO SCIENTIFICO D’ASCANIO
ANNO SCOLASTICO 2019/20, VD

2. DA COSA NASCE LA RIFLESSIONE SULLA
QUANTISTICA?
Il principio di indeterminazione di Heisenberg, formulato dallo scienziato tedesco Werner Heisemberg nel
1927, esprime la difficoltà che si ha a determinare la posizione di una data particella in un certo tempo,
asserendo che, se l’incertezza sulla posizione x di una particella ha un valore molto ridotto (Δx molto
piccolo), l’incertezza sul momento lineare (Δp) risulta elevata, e viceversa.

3. COS’È IL QUBIT?
Il qubit o bit quantistico, rispetto al "bit classico", offre una maggiore versatilità e potenzialità di calcolo.
Mentre il bit, che si trova alla base dell’informatica classica, può assumere solamente un valore ben
definito ("0" o "1", "aperto" o "chiuso", "acceso" o "spento"), il qubit può assumere anche valori
sovrapposti.
In base al Principio di indeterminazione di Heisenberg, un elemento quantistico – quale il qubit – non avrà
mai uno "stato valoriale" ben definito, ma avrà valori sovrapposti e indeterminabili.
Nel celebre paradosso proposto da Schrödinger per spiegare la sua teoria, il gatto può essere
contemporaneamente vivo o morto; nel caso degli elettroni questo principio impone che è impossibile
determinare con certezza, nell'istante di tempo t, l'energia associata ad essi e contemporaneamente la loro
posizione. Quindi per lo stesso principio, nell'informatica quantistica il qubit potrà assumere
contemporaneamente il valore di "0" e di "1".

4. • oggetto con due differenti stati che si
escludono l’uno con l’altro.
• moderni transistor delle dimensioni di qualche
milionesimo di centimetro.
BIT
• Può avere valori sovrapposti
• Molto più veloce nel trasferimento di datiQUBIT

5. I DUE CONCETTI FONDAMENTALI DELL’INFORMATICA QUANTISTICA
SOVRAPPOSIZIONE
Principio molto generale della fisica, che può avere diverse espressioni
nei più svariati contesti.
In fisica classica esso assicura che se in una regione di spazio sono
presenti vettori che agiscono su un punto o su un sistema (forze, campi
elettromagnetici, ecc.) quel punto o quel sistema subirà un'azione
equivalente a quella che si avrebbe se agisse il vettore somma.
Più sottile e con implicazioni profonde sulla nostra immagine della
realtà, è il principio di sovrapposizione degli stati in fisica quantistica: lo
stato di un sistema non è unico e determinato come in fisica classica,
ma è la sovrapposizione di tutti gli stati possibili per quel sistema. In
altre parole, il sistema sta potenzialmente in tutti gli stati
contemporaneamente. Il suo stato diventerà "puro", unico, solo dopo
una misura o un'interazione con un altro sistema. Alla base della natura
non deterministica dei sistemi quantistici c'è naturalmente il principio
di indeterminazione di Heisenberg. Il principio di sovrapposizione è
descritto efficacemente dal celebre esperimento ideale del "gatto di
Schroedinger".
ENTANGLEMENT
L’entanglement, definito anche correlazione quantistica, afferma che 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).

6. LE PROBLEMATICHE DEL QUBIT
 Le sovrapposizioni quantistiche e le correlazioni quantistiche sono fenomeni estremamente delicati, per
esempio il movimento ondulatorio delle molecole adiacenti può interrompere e rendere difficile un
calcolo.
 La maggior parte dei progetti sviluppati su computer quantistici richiede che le macchine siano
conservate a temperature più basse di quelle dello spazio cosmico (-270.42 gradi centigradi) e che siano
alloggiate in locali speciali, oltre che molto personale specializzato per tenere traccia dei processi
elaborativi.
 Ma il problema più grande che gli scienziati quantistici devono affrontare è quello di individuare e
correggere gli errori dell’elaborazione, in quanto lo sviluppo di applicazioni pratiche con l’informatica
quantistica richiede molta, molta più elaborazione dei dispositivi tradizionali. A questa scala, aumenta
molto il rischio di errori.

7. OLTRE IL QUBIT: LA FRONTIERA DEL QUDIT
Alcuni ricercatori russi si stanno dando da fare per non farsi trovare impreparati nella corsa all'informatica
quantistica, in cui i «rivali» americani stanno investendo molto. Gli scienziati del Moscow Institute of
Physics and Technology e del Russian Quantum Centre, però, stanno provando a percorrere una strada
differente rispetto a quella degli altri istituti di ricerca. Hanno così creato qubit in grado di "erogare" più o
meno potenza di calcolo a seconda del livello energetico in cui si trovano.
Ciò moltiplica esponenzialmente le capacità di calcolo di un singolo processore quantico: gli elettroni
presenti nei diversi livelli energetici di un qubit possono interagire tra di loro, facendo lievitare il monte
delle risorse di calcolo disponibili. Si tratta, dunque, di una nuova tipologia di unità minima di calcolo,
ribattezzata dai russi qudit, dove la d sta a indicare i possibili livelli di energia nei quali esiste l'elettrone.

8. LE FRONTIERE DI UTILIZZO DEI COMPUTER
QUANTISTICI
I computer quantistici sono molto lontani dall'essere pronti per il mercato. Non è chiaro su che
cosa abbiano lavorato gli scienziati di Google, ma secondo alcuni esperti interpellati dal MIT
Technology Review, l'esperimento potrebbe essere stato progettato "su misura" per un
processore a qubit. Non è quindi affatto certo che le stesse prestazioni possano essere replicate
in altri contesti e, dal punto di vista operativo, lo scenario più probabile è quello che vede un
futuro dove le macchine quantistiche lavorino insieme a quelle tradizionali.
"Quantum computers will never reign 'supreme' over classical computers, but will rather work
in concert with them, since each have their unique strengths."
Dario Gil, director of research at IBM

9. COSA STA ACCADENDO?
Un documento di scienziati informatici di Google è apparso su un sito Web della NASA, affermando che una nuova macchina
innovativa chiamata computer quantistico aveva dimostrato "supremazia quantistica".
Secondo l'articolo, il dispositivo, in tre minuti, aveva eseguito un calcolo altamente tecnico e specializzato che avrebbe richiesto
un computer normale 10.000 anni per funzionare. Il risultato, se reale, potrebbe presagire una rivoluzione nel modo in cui
pensiamo, calcoliamo, custodiamo i nostri dati e interroghiamo gli aspetti più sottili della natura.
In una e-mail, John Preskill, un fisico del California Institute of Technology che ha coniato il termine "supremazia quantistica", ha
affermato che il lavoro di Google è stato potenzialmente "un risultato davvero impressionante nella fisica sperimentale".
Ma poi il documento è scomparso, lasciando gli appassionati di tecnologia con molti dubbi.
L'anno scorso il Congresso è stato approvato e il presidente Trump ha firmato il National Quantum Initiative Act, un piano per
spendere $ 1,2 miliardi per aumentare la ricerca sulla tecnologia quantistica e in particolare i computer quantistici.

10. Fastweb.it
Tecnologia.libero.it
Archivio.torinoscienza.it
Zanichelli.it
firstonline.info
Nytimes.com
SITOGRAFIA: