Computer quantistico

 

Non ho capito come la fisica quantistica permette il funzionamento dei computer, qualcuno melo spiega ?

I computer classici funzionano grazie a un elemento fondamentale: il transistor, un minuscolo interruttore che può essere acceso o spento, rappresentando rispettivamente i valori 1 e 0. Questi 1 e 0 formano il linguaggio binario, che è alla base di ogni operazione del computer. Immagina milioni di transistor che, accendendosi e spegnendosi rapidamente, formano combinazioni di 1 e 0 per eseguire calcoli e risolvere problemi.

Grazie alla miniaturizzazione, i transistor sono diventati incredibilmente piccoli. Oggi l’azienda taiwanese TSMC produce transistor di appena 3 nanometri e punta a scendere a 2 nanometri entro il 2025.

Al diminuire della dimensioni la fisica classica comincia a smettere di essere uno strumento efficace di previsione del comportamento dei fenomeni naturali, lasciando spazio alla fisica quantistica, a questo stadio cominciano ad apparire i primi fenomeni quantistici che si intensificano al ridurre ulteriormente le dimensioni.

Effetto tunneling quantistico: Si tratta di un fenomeno della fisica quantistica in cui una particella, come un elettrone, riesce ad attraversare una barriera energetica che, secondo la fisica classica, non dovrebbe poter superare. Per capire meglio, immagina una pallina che rotola verso una collina: secondo le leggi classiche, se la pallina non ha abbastanza energia per superarla, si ferma. Con il tunneling quantistico, però, la pallina (l’elettrone) ha una piccola probabilità di "teletrasportarsi" dall'altra parte della collina, anche senza energia sufficiente. Questo fenomeno diventa rilevante nei transistor ultra-piccoli, dove gli elettroni possono attraversare strati isolanti sottilissimi, causando perdite di corrente.

Confinamento quantistico: Questo fenomeno si verifica quando una particella, come un elettrone, è confinata in uno spazio estremamente piccolo, dell'ordine di nanometri, comparabile o inferiore alla sua lunghezza d’onda quantistica. In queste condizioni, i movimenti dell’elettrone sono quantizzati: può assumere solo determinati livelli di energia, anziché muoversi liberamente come farebbe in uno spazio più ampio. Il comportamento dell’elettrone cambia rispetto alla fisica classica: si comporta come una "onda" e assume stati energetici discreti, come negli atomi. Questo implica che la corrente non può fluire in modo continuo come nei transistor più grandi, ma presenta dei salti discreti. Questa quantizzazione rende complesso il controllo preciso del flusso di corrente, causando difficoltà nelle operazioni logiche e nei segnali che il transistor deve processare.

È qui che entra in scena il computer quantistico, perchè non possiamo ridurre le dimensioni dei transistor all'infinito per progredire con la potenza di calcolo. I computer classici usano bit che possono essere 0 o 1, ma i computer quantistici utilizzano qubit, che possono trovarsi in entrambi gli stati (0 e 1) contemporaneamente grazie a un fenomeno chiamato sovrapposizione, oltre agli stati classici (0 e 1). Questo permette al computer quantistico di esplorare molte soluzioni in parallelo, aumentando esponenzialmente la capacità di calcolo.

Un’altra proprietà fondamentale è l’entanglement (o intreccio quantistico), che lega i qubit in modo che lo stato di uno influenzi l’altro, anche a distanza. Questo legame consente ai computer quantistici di coordinare i calcoli in modi che sarebbero impossibili per i computer classici. Mentre i computer tradizionali usano porte logiche come AND e OR, i computer quantistici usano porte quantistiche, che manipolano stati sovrapposti e intrecciati dei qubit, rendendo possibile un calcolo basato su probabilità invece che su sequenze rigide.

Questi nuovi approcci potrebbero rivoluzionare diversi settori, come la simulazione molecolare, la crittografia, l'intelligenza artificiale e l'ottimizzazione di sistemi complessi. Questa tecnologia è però allo stadio inziale attualmente. Mantenere i qubit in stato di sovrapposizione ed entanglement richiede ambienti estremamente stabili e freddi, vicino allo zero assoluto, per evitare interferenze esterne.

I computer quantistici rappresentano una frontiera affascinante: la loro capacità di gestire calcoli complessi in modi nuovi potrebbe risolvere problemi oggi insormontabili. Anche se si tratta di una tecnologia agli stadi inziali abbiamo già raggiunto notevoli risultati, uno su questi è la "supremazia quantistica".

La "supremazia quantistica" si riferisce al momento in cui un computer quantistico esegue un calcolo che sarebbe impraticabile per un computer classico in un tempo ragionevole. Fino ad oggi, due sistemi hanno rivendicato questo traguardo.

• Sycamore di Google: Nel 2019, Google ha annunciato che il suo processore quantistico Sycamore, composto da 53 qubit, ha completato in 200 secondi un calcolo che, secondo le stime dell'azienda, avrebbe richiesto 10.000 anni al più potente supercomputer classico di quell'anno.

Sycamore: Computer quantistico, che usa degli elettroni come quanti.

Jiuzhang dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC): Nel 2020, il team USTC ha presentato Jiuzhang, un computer quantistico che ha eseguito un calcolo in 200 secondi, un compito che, secondo i ricercatori, avrebbe richiesto circa 2,5 miliardi di anni al supercomputer classico più potente disponibile.

Jiuzhang. Computer quantistico fotonico. Usa i fotoni come quanti.

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Spiego quale calcolo richiede così tanto tempo e come i ricercatori riescono a prevedere tale tempistica nel caso di un supercomputer classico.

I 2,5 miliardi di anni derivano dalla complessità esponenziale del problema che Jiuzhang ha risolto: il campionamento bosonico.

Questo problema consiste nel calcolare le probabilità con cui fotoni (bosoni) seguono diverse configurazioni d'uscita dopo aver attraversato un sistema di specchi e divisori di luce. A causa delle interferenze quantistiche tra i fotoni, il numero di configurazioni cresce esponenzialmente con l’aumentare dei fotoni, rendendo il calcolo incredibilmente complesso per un computer classico. I computer quantistici, invece, sfruttano direttamente le proprietà dei fotoni, calcolando queste probabilità in modo parallelo e molto più efficiente.

L'interferenza quantistica tra due quanti è analoga a due onde che si sommano o si sottraggono, influenzandosi a vicenda. Quando le onde sono "in fase", si rafforzano (interferenza costruttiva); quando sono "fuori fase", si annullano (interferenza distruttiva). Questo principio regola il comportamento delle particelle quantistiche, come i fotoni, quando interagiscono in un sistema.