Come funziona un computer quantistico.

Autore: Roberto Campagnola

Data: 10/01/2020

Il computer quantistico rappresenta una innovazione di enorme interesse e potrà trovare impiego in numerosi ambiti: applicazioni per la ricerca di base, per la difesa, la crittografia.

Ad agosto 2020 il Department of Energy statunitense ha finanziato con 115 milioni di dollari per 5 anni il progetto SQMS ( Superconducting Quantum Materials and Systems ), guidato dalla connazionale Anna Grassellino, per la costruzione del più potente computer quantistico.

Il progresso tecnologico.

Il progresso tecnologico ha fatto in modo che le dimensioni dei circuiti integrati delle CPU siano sempre più piccoli: attualmente le dimensioni di un microprocessore sono dell'ordine di 7 nm.

Questa “corsa alla miniaturizzazione” non può essere infinita, si giungerà al limite in cui non varranno più le regole della fisica classica ma si dovrà tenere conto di effetti quantistici.

Nella teoria dell'informazione classica l'unità fondamenta dell'informazione è il bit, che può essere rappresentato da un interruttore acceso o spento, un circuito che può essere attraversato da corrente o no.

Come funziona un computer quantistico

Nel quantum computing, l'unità fondamentale dell'informazione e per l'esecuzione di processi logici è rappresentato dal qubit. Una interpretazione utile di un qubit si può ottenere mediante una rappresentazione geometrica che associa gli stati di un qubit ai punti sulla superficie di una sfera di raggio unitario, nota come sfera di Bloch.

Il polo sud della sfera corrisponde allo stato quantistico 1 e il polo nord allo stato quantistico 0. Le altre posizioni sulla sfera sono le sovrapposizioni quantistiche di 0 e 1.

I metodi più comuni per realizzare fisicamente un qubit sono:

• le due diverse polarizzazione di un fotone;

• la direzione dello spin di una particella elementare in un campo magnetico uniforme;

• due livelli di energia di un elettrone di un singolo atomo.

Alcune conseguenze fondamentali della meccanica quantistica come il principio di sovrapposizione e gli stati entangled portano ad un cambio totale di paradigma per quanto riguarda le prestazioni di un quantum computer.

Nel 2019, in un articolo su Nature, Google ha annunciato di aver raggiunto la supremazia quantistica con il processore Sycamore da 54 qubits, completando una operazione in appena 200 secondi, che altrimenti avrebbe richiesto 10.000 anni al più potente super-computer “classico” disponibile.

La crittografia

La meccanica quantistica ha applicazione non solo nella computazione, ma anche nella teoria dell'informazione e quindi nella crittografia.

L'uso di sistemi e metodi per comunicare in maniera segreta e controllata è noto già nell'antica Sparta, e a Giulio Cesare è attribuito la creazione e l'uso del cosiddetto cifrario di Cesare durante le guerra di Gallia. In tale sistema crittografico si usa un alfabeto in cui ogni lettera è sostituita da un altra, che si trova in un fissato numero di posizion