Che cos'è il calcolo quantistico?

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I computer quantistici introducono nuovi concetti ai metodi di programmazione tradizionali usando le regole speciali della fisica quantistica per eseguire calcoli.

Vediamo come il calcolo quantistico differisce dal calcolo classico e come creare un computer quantistico.

Nascita del calcolo quantistico

L'idea di un computer quantistico è nata dalla difficoltà di simulare i sistemi quantistici in un computer classico. Negli anni '80, Richard Feynman e Yuri Manin suggeriscono che l'hardware basato su fenomeni quantistici potrebbe essere più efficiente per la simulazione di sistemi quantistici rispetto ai computer convenzionali.

Esistono molti modi per capire perché i sistemi quantistici sono difficili da simulare. Il più semplice consiste nel vedere che la materia, a livello quantistico, si trova in una moltitudine di configurazioni possibili (note come stati) contemporanee.

Il calcolo quantistico cresce in modo esponenziale

Si consideri un sistema di particelle quantistiche, ad esempio gli elettroni. Esistono $40$ possibili posizioni per gli elettroni. Il sistema potrebbe quindi trovarsi in una qualsiasi di $2^{40}$ configurazione, poiché ogni posizione può avere o meno un elettrone. Per archiviare lo stato quantistico degli elettroni nella memoria di un computer convenzionale, potrebbero essere necessari oltre $130$ GB di memoria. Se gli elettroni fossero autorizzati a una posizione aggiuntiva, in modo da trovarsi in una qualsiasi delle $41$ posizioni, ci sarebbero il doppio delle configurazioni a $2^{41}$, che a loro volta richiederebbero più di $260$ GB di memoria per archiviare lo stato quantistico.

Questo gioco di aumentare il numero di posizioni non può essere giocato a tempo indeterminato. Se si volesse archiviare lo stato in modo convenzionale, si supererebbero rapidamente le capacità di memoria delle macchine più potenti del mondo. A poche centinaia di elettroni, la memoria necessaria per memorizzare il sistema supera il numero di particelle nell'universo; pertanto non c'è speranza con i nostri computer convenzionali di simulare la loro dinamica quantistica.

Trasformare la difficoltà in opportunità

L'osservazione di questa crescita esponenziale ha portato a porsi una domanda importante: è possibile trasformare questa difficoltà in un'opportunità? In particolare, se i sistemi quantistici sono difficili da simulare, cosa accadrebbe se si creassero hardware con effetti quantistici come operazioni fondamentali? È possibile simulare dei sistemi quantistici di interazione delle particelle usando una macchina che sfrutta esattamente le stesse leggi della fisica? E potremmo usare questa macchina per analizzare altre attività assenti dalle particelle quantistiche, ma che sono cruciali per noi? Queste domande hanno portato alla genesi del calcolo quantistico.

Nel 1985, David Deutsch ha dimostrato che un computer quantistico potrebbe simulare in modo efficiente il comportamento di qualsiasi sistema fisico. Questa individuazione è stata la prima indicazione che i computer quantistici potrebbero essere usati per risolvere i problemi intrattabili nei computer classici.

Nel 1994 Peter Shor scoprì un algoritmo quantistico per il factoring di interi che viene eseguito in modo esponenziale rispetto all'algoritmo classico più noto. La risoluzione della fattorizzazione rende possibile l’interruzione di molti dei nostri sistemi di crittografia a chiave pubblica alla base della sicurezza dell'e-commerce odierno, tra cui RSA e la crittografia a curva ellittica. Questa scoperta ha suscitato un grande interesse per il calcolo quantistico e ha portato allo sviluppo di algoritmi quantistici per molti altri problemi.

Da quel momento sono stati sviluppati algoritmi quantistici veloci ed efficienti per molte delle nostre attività classiche difficili: simulazione di sistemi fisici in chimica, fisica e scienza dei materiali, ricerca in un database non ordinato, risoluzione di sistemi di equazioni lineari e Machine Learning.

Che cos'è un qubit?

Proprio come i bit sono l'oggetto fondamentale delle informazioni nel calcolo classico, i qubit (bit quantistici) sono l'oggetto fondamentale delle informazioni nel calcolo quantistico.

Un qubit è un'unità di base delle informazioni nel calcolo quantistico. I qubit svolgono un ruolo simile nel calcolo quantistico come bit nel calcolo classico, ma si comportano in modo diverso. I bit classici sono binari e possono contenere solo una posizione di $0$ o $1$, ma i qubit possono contenere una sovrapposizione di tutti gli stati possibili. Questo comportamento significa che un qubit può trovarsi in uno stato di $0$, $1$ o qualsiasi sovrapposizione quantistica dei due. Ci sono infinite sovrapposizioni possibili di $0$ e $1$, ognuna di esse è uno stato qubit valido.

Nel calcolo quantistico, le informazioni vengono codificate nella sovrapposizione degli stati $0$ e $1$. Ad esempio, con $8$ bit, è possibile codificare $256$ valori diversi, ma è necessario sceglierne uno per codificarlo. Con $8$ qubit è possibile codificare contemporaneamente i valori $256$, perché un qubit può trovarsi in una sovrapposizione di tutti gli stati possibili.

Come creare un computer quantistico

Un computer quantistico è un computer che sfrutta i fenomeni meccanici quantistici. I computer quantistici usano gli stati quantistici della materia per archiviare e calcolare le informazioni. Possono "programmare" l'interferenza quantistica per eseguire operazioni più veloci o migliori rispetto ai computer classici.

Quando si crea un computer quantistico, è necessario considerare come creare i qubit e come archiviarli. È anche necessario pensare a come manipolarli e come leggere i risultati dei calcoli.

Le tecnologie qubit più usate sono qubit a ioni intrappolati, qubit superconduttori e qubit topologici. Per alcuni metodi di archiviazione di qubit, l'unità che ospita i qubit viene mantenuta a una temperatura vicina allo zero assoluto per massimizzare la coerenza e ridurre l'interferenza. Altri tipi di alloggiamento dei qubit usano una camera sottovuoto per ridurre al minimo le vibrazioni e stabilizzare i qubit. I segnali possono essere inviati ai qubit usando vari metodi, tra cui microonde, laser e tensione.

I cinque criteri per un computer quantistico

Un computer quantistico valido deve avere queste cinque funzionalità:

1. Scalabile: Può avere molti qubit.
2. Inizializzabile: Può impostare i qubit su uno stato specifico (in genere lo stato $0$).
3. Resiliente: Può mantenere i qubit nello stato di sovrapposizione per molto tempo.
4. Universale: Un computer quantistico non deve eseguire tutte le operazioni possibili, ma solo un set di operazioni denominato set universale. Un set di operazioni quantistico universali è tale che qualsiasi altra operazione può essere scomposta in una sequenza di tali operazioni.
5. Affidabile: Può misurare accuratamente i qubit.

Questi cinque criteri sono spesso noti come criteri di Di Vincenzo per il calcolo quantistico.

La sfida ingegneristica di creare dispositivi in grado di soddisfare questi cinque criteri è una delle sfide tecniche più complesse mai affrontate dal genere umano. Microsoft collabora con alcuni dei migliori produttori di computer quantistici nel mondo per consentire l'accesso alle soluzioni di calcolo quantistico più innovative tramite Azure Quantum.