Dal bit a qubit

1. DAL BIT AL QUBIT

2. I calcolatori attuali sono milioni di volte più potenti
dei loro antenati, ma la tecnologia dei circuiti
integrati sta raggiungendo i limiti fisici della
meccanica classica. La tipica informatica potrebbe
divenire satura nel giro di 10 anni. Proprio per
questo è necessario sostituire o affiancare nuove
tecnologie alle attuali. La soluzione a queste
problematiche è il
“Quantum computing”

3. Alcuni scienziati considerano il computer quantistico
“the ultimate computer”, il computer definitivo della
storia, il più potente mai creato, che non verrà mai
superato.
CHE COS’E’ IL COMPUTER QUANTISTICO?
COME FUNZIONA? E SOPRATTUTTO, QUALI
GRANDI CAMBIAMENTI POTREBBE APPORTARE
QUESTA SCOPERTA?

4. I quantum computer sono calcolatori
che sfruttano le leggi della fisica e della
meccanica quantistica, che studia le particelle
subatomiche. La loro unità fondamentale è il bit
quantistico o qubit.

5. DAL BIT A QUBIT
I computer classici che tutti conosciamo utilizzano come
unità di informazione di base il cosiddetto bit. Da un punto di
vista prettamente fisico il bit è un sistema a 2 stati: 0 o 1, i
quali si escludono l’uno con l’altro. Agli albori della tecnologia
informatica, i bit erano delle grosse ciambelle di metallo
(toroidi magnetici). Si è arrivati poi ai moderni transistor delle
dimensioni di qualche milionesimo di centimetro.

6. Le differenze fra il bit e il qubit sono sostanziali perché fanno
riferimento a due diverse rappresentazioni fisiche della realtà. Il
qubit, in particolare, esiste proprio grazie al concetto di
quantizzazione dell’energia e della materia e acquisisce dai
principi della fisica quantistica due fondamentali caratteristiche
che non hanno corrispondenza nel mondo della fisica
classica: sovrapposizione (che provoca l’interferenza
quantistica) ed entanglement. Grazie a questi principi il qubit può
assumere infiniti valori contemporaneamente, al contrario del bit.
SFERA DI BLOCH
(Rappresentazione
geometrica del QuBit)

7. SOVRAPPOSIZIONE
ENTANGLEMENT
abilita i calcoli in parallelo
(anziché uno alla volta),
moltiplicando
esponenzialmente potenza
e velocità anche per
calcoli estremamente
complessi, riducendo i
tempi di elaborazione da
anni a minuti.
Detto anche intricazione
quantistica, è la capacità
che hanno due o più qubit di
diventare un sistema unico
dove le variazioni che
avvengono su un elemento
si ripercuotono
istantaneamente anche
sull’altro o sugli altri.

8. Su un computer quantistico, con 3 qubit, le otto combinazioni possono
essere memorizzate e manipolate contemporaneamente. Questo
meccanismo realizza una "parallelizzazione" della elaborazione le cui
potenzialità crescono in modo esponenziale rispetto al numero di qubit
coinvolti.

9. Un po’ di storia…
• Il padre dell’Informatica è Alan Turing, ed il suo profeta è
Charles Babbage, il quale ha concepito gli elementi
essenziali di un calcolatore moderno, nonostante ai suoi
tempi non esistesse la tecnologia necessaria a realizzare
praticamente le sue idee.
• La computazione classica si basa sul modello astratto
della Macchina di Turing, definito nel 1936 dal matematico
inglese A. Turing e successivamente rielaborato da John
von Neumann negli anni '40. La macchina di Turing utilizza
gli assiomi della fisica classica.
• Richard Feynman fu il primo che tentò di concepire una
macchina funzionante sulla base dei principi della fisica
quantistica.

10. Un po’ di storia…
• Nel 1982 R. Feynman pubblica il suo famoso lavoro
sul Computer Quantistico. In esso, dimostrò che:
“nessuna Macchina di Turing classica può simulare certi
fenomeni fisici senza incorrere in un rallentamento
esponenziale delle sue prestazioni”
Al contrario, un “simulatore quantistico universale”
avrebbe potuto effettuare la simulazione in maniera
più efficiente.
• nel 1985, David Deutsch descrive la prima vera MTQ.
Rappresenta in teoria della calcolabilità quantistica
esattamente quello che la Macchina di Turing
Universale rappresenta per la calcolabilità classica e
ha portato alla concezione moderna di
computazione quantistica.

12. POSSIBILI APPLICAZIONI DEL COMPUTER
QUANTISTICO
Le applicazioni più probabili della computazione
quantistica riguardano le simulazioni, in
particolare per quanto riguarda i sistemi a loro
volta basati su proprietà quantistiche.
Ad esempio in ambito chimico-biologico ci sono
numerose ipotesi, dalla ricerca farmaceutica alla
creazione di nuovi materiali, dall’analisi dei
fertilizzanti a quella dei sistemi di
immagazzinamento di energia.

13. Già in uso…
• Nell’informatica il calcolo quantistico viene
applicato per la rilevazione di anomalie statistiche;
• Nei servizi finanziari il calcolo quantistico viene
sfruttato ai fini del rilevamento di instabilità dei
mercati, per lo sviluppo di strategie di trading,
simulazioni di mercato, ottimizzazione dei portafogli,
previsioni finanziarie.
• Nei trasporti si contano progetti che sfruttano le
potenzialità del quantum computing per la gestione
del traffico, i veicoli a guida autonoma,
l’ottimizzazione della rete di ricarica elettrica.

14. IBM VS GOOGLE
IBM ha inaugurato l’era dei
computer quantistici nel 2001
creando un elaboratore
quantistico a 7 qubit. Ad oggi
IBM possiede 18 sistemi
quantici che mette a disposizione
della sua community. Nel suo
nuovo sistema integrato IBM ha
previsto una serie di componenti
quali hardware quantistico per
produrre qubit di
qualità, ingegneria criogenica per
mantenere isolato e
opportunamente raffreddato
l’ambiente quantico, elettronica
di alta precisione.
Anche Google
possiede un
elaboratore
quantistico. Il team
spiega di essere
riuscito ad effettuare
in 3 minuti e 20
secondi un calcolo
estremamente
complesso attraverso
la macchina,
conquistando la
supremazia
quantistica.

15. La quantum cybersecurity
• Una potenza come quella quantistica richiede di
riprogettare i metodi di protezione delle comunicazioni,
delle transazioni e di qualunque tipo di trasferimento di
dati: potenzialmente, i computer quantistici
possono superare tutte le barriere della tradizionale
crittografia.
• Di qui la corsa allo sviluppo di una nuova crittografia
quantistica, basata su misure sofisticate come la
distribuzione di chiavi quantiche, algoritmi a sicurezza
quantistica e generatori di numeri casuali quantici.
La quantum cybersecurity sarà la base delle reti di
comunicazione quantistica, abbinando alla potenza e
velocità anche la sicurezza.

16. Cosa ci riserva il futuro?
In futuro è estremamente probabile che un calcolatore
quantistico riesca a dimostrare teoremi attraverso
metodi che un cervello umano (o un calcolatore
classico) non è in grado nella maniera più assoluta
di controllare, perché se la “sequenza di
proposizioni” corrispondente alla dimostrazione
intesa nel senso classico venisse stampata, la carta
riempirebbe l’universo osservabile per molte volte.

17. FINE