Qubit: la base dei computer quantistici
I qubit stanno ai computer quantistici come i bit stanno ai computer classici. A differenza dei bit binari, al momento di una misurazione dei dati i qubit possono trovarsi contemporaneamente in stato 1 e 0. Questa proprietà di base della meccanica quantistica è destinata a rivoluzionare le tecnologie informatiche, permettendo di costruire computer quantistici con una potenza di un milione di volte superiore rispetto ai PC convenzionali.
Cosa sono i qubit?
Il futuro dell’informatica ha un nome: qubit. Dietro questa parola criptica si cela la più piccola unità di calcolo elementare della computazione quantistica|, il “bit quantistico”, che si differenzia considerevolmente dai bit dei computer di oggi, che conosciamo tutti. I qubit sono definiti sistemi quantistici a due stati, ovvero possono assumere due stati contemporaneamente. Costituiscono l’unità di base dei computer quantistici.
Per comprendere come funzionano i qubit occorre innanzitutto capire i tre principi fondamentali della meccanica quantistica.
- Sovrapposizione: indica sistemi quantistici che possono assumere due stati contemporaneamente. Per spiegarlo facciamo un confronto con il sistema binario: anziché 1 oppure 0, i sistemi quantistici possono assumere contemporaneamente 1 e 0 e molti altri stati intermedi fino al momento della misurazione dei dati.
- Correlazione quantistica (entanglement): indica un fenomeno della meccanica quantistica che Albert Einstein definì “terrificante azione a distanza”. Si tratta di due o più particelle intrecciate fra loro che anziché avere stati singoli definiti generano un unico oggetto. I cambiamenti di una particella dell’insieme si riflettono automaticamente su tutte le particelle correlate.
- Collasso quantistico: è il momento in cui i sistemi che si trovavano in una sovrapposizione non definita “collassano” con la misurazione o l’osservazione, passando a uno stato definito: 1 oppure 0.
Ritroviamo tutti e tre i principi nei qubit e quindi nel calcolo quantistico. Sono anche il motivo per cui governi e società come IBM, Google e Microsoft ripongono grandi speranze nei computer quantistici. Anche se questi sono ancora lontani dall’essere una realtà utilizzabile, i qubit fanno sperare in possibilità inattese sia per quanto riguarda la potenza sia dal punto di vista della nostra comprensione dei computer.
Qubit e bit: qual è la differenza?
Il bit ha una cosa in comune con il bit quantistico: entrambi sono la più piccola unità di calcolo e memoria del rispettivo computer. Ma qui già terminano gli elementi in comune, poiché a differenza dell’unità di misura binaria dei nostri computer classici, i bit quantistici sono un’unità di misura della meccanica quantistica. Ma questo, esattamente, cosa significa?
Per prima cosa bisogna capire il funzionamento del bit. Da quando i film della serie “Matrix” hanno avvicinato il grande pubblico a temi complessi come l’intelligenza artificiale e le simulazioni al computer, molti conoscono anche gli uno e gli zeri binari. Un bit si basa su questo codice binario e rappresenta la più piccola unità di dati delle tecnologie digitali. I bit possono assumere lo stato 1 (vero/attivo) o 0 (disattivo/falso).
Invece, i bit quantistici non si basano sul codice binario, non devono quindi “decidere”. Secondo il concetto della sovrapposizione nella meccanica quantistica, un qubit si trova quindi contemporaneamente in stato 1 e 0. Può inoltre avere svariati stati intermedi come “un terzo di 0” oppure “due terzi di 1”. Solo nel momento della misurazione, con il collasso quantistico, i qubit assumono uno stato binario definito.
Quanta potenza di calcolo in più offrono i qubit?
Le proprietà di meccanica quantistica dei qubit moltiplicano enormemente la potenza di calcolo dei computer quantistici rispetto ai computer convenzionali. Anche con 2 alla potenza di 500 bit non è possibile elaborare le stesse quantità di dati gestibili senza fatica da 500 qubit. 31 qubit corrispondono già a 32 GB; con ogni qubit in più, la dimensione, quindi l’unità di misura informatica, raddoppia.
Un altro esempio: per calcolare i fattori primi di un numero a 2050 bit, un computer che calcola solo in bit impiegherebbe alcuni milioni di anni. I computer quantistici svolgono operazioni di questo tipo in pochi minuti risolvendole non in successione, ma contemporaneamente. Probabilmente questi evidenti vantaggi incideranno in modo rivoluzionario sull’elaborazione e l’analisi di grandi e complesse quantità di dati.
Come si creano i qubit?
Per poter rendere utilizzabili i qubit in un computer quantistico, occorre generarli. Mentre per creare i bit classici di solito si usano chip di silicio, per i computer quantistici servono nuove tecnologie e nuovi metodi. Ad esempio, gli ioni vengono “catturati” in campi elettrici, magnetici oppure si usano fotoni, quasi particelle e atomi artificiali e veri e propri. Con le cosiddette cadute di ioni la misurazione dei qubit viene eseguita inoltre tramite radiazioni a microonde. Google utilizza chip quantistici dove le correnti che fluiscono in circolo rappresentano un qubit. Anche qui la misurazione dei qubit è eseguita tramite radiazioni a microonde.
L’impiego dei qubit nei computer quantistici non offre soltanto molta più potenza. Per elaborare i qubit selezionati e salvati in griglie quantistiche sono necessari anche nuovi hardware e software e nuovi approcci di programmazione. Poiché si tratta di sistemi quantistici molto volatili, servono computer in grado di collegare i bit quantistici in modo affidabile e in numeri nell’ordine di milioni.
Un altro aspetto essenziale dell’attuale tecnologia dei computer quantistici è il raffreddamento corretto. Generando i qubit si sviluppa calore, come del resto avviene in tutti i computer. Per essere efficienti e sicuri, i computer quantistici devono quindi essere raffreddati molto vicino al punto zero di temperatura assoluto (-273,15 gradi Celsius).
I possibili campi di applicazione dei qubit
Ci vorranno ancora anni prima che i computer quantistici diventino d’uso quotidiano. Servono nuove tecnologie e bisogna ripensare il modo in cui funzionano i computer. Quando ci riusciremo, i qubit offriranno tantissimi vantaggi per diversi scopi di utilizzo, tra cui:
- E-commerce
- Crittografia
- Ricerca medica
- Elaborazione, archiviazione e valutazione dei Big Data e dei Dark Data
- Intelligenza artificiale
- Apprendimento automatico
- Data mining efficiente e più potente
- Simulazioni quantistiche
- Creazione di modelli finanziari complessi
- Tecnologie smart
- Guida autonoma
- Ricerca aerospaziale.
Il futuro dei qubit: ostacoli tecnici e opportunità
Stando a quanto affermato da grandi società internazionali come IBM, Google e Microsoft, l’arrivo dei primi computer quantistici funzionali è solo una questione di tempo. Gli investimenti milionari e la nascita di società dedicate come Google AI o D-Wave sono la prova che il calcolo quantistico è il futuro. A oggi uno dei computer quantistici più potenti è “Eagle” di IBM con 127 qubit.
A sua volta, il 23 ottobre 2019 Google AI ha reso noto che il chip Sycamore è riuscito per la prima volta a risolvere operazioni di fronte alle quali anche i migliori supercomputer avevano fallito. Un traguardo che è stato chiamato “supremazia quantistica”. Tuttavia, per permettere ai computer quantistici di raggiungere una vera e propria superiorità servono nuove tecnologie, nuovi software e nuovi linguaggi di programmazione.