Cosa sono i computer quantistici?
I computer quantistici hanno il potenziale per aumentare notevolmente la varietà e la precisione dei calcoli, aprendo nuove applicazioni per computer e migliorando i nostri modelli di fenomeno fisico. Tuttavia, mentre i computer quantistici stanno assistendo a una crescente copertura mediatica, molti non sono ancora sicuri di come i computer quantistici differiscano dai normali computer. Esaminiamo come funzionano i computer quantistici, alcune delle loro applicazioni e il loro futuro futuro.
Che cos’è un computer quantistico?
Prima di poter significato esaminare come i computer quantistici funzionano , abbiamo bisogno di definire prima i computer quantistici . La breve definizione di un computer quantistico è questa: un computer, basato sulla meccanica quantistica, che è in grado di eseguire determinati calcoli complessi con un’efficienza molto maggiore rispetto ai computer tradizionali. Questa è una rapida definizione di computer quantistici, ma ci vorrà del tempo per capire davvero cosa separa i computer quantistici dai computer tradizionali.
I computer normali codificano le informazioni con un sistema binario: rappresentano ogni bit dei dati come uno o zero. Serie di uno e zero sono concatenate per rappresentare blocchi complessi di informazioni come testo, immagini e audio. Tuttavia, in questi sistemi binari, le informazioni possono essere sempre e solo archiviate come una e zero, il che significa che esiste un limite rigido al modo in cui i dati sono rappresentati e interpretati e che quando i dati diventano più complessi devono necessariamente diventare stringhe sempre più lunghe di zeri.
Il motivo per cui i computer quantistici sono in grado di archiviare e interpretare i dati in modo più efficiente è perché non usano i bit per rappresentare i dati, piuttosto usano i ” qubit “. I Qubit sono particelle subatomiche come fotoni ed elettroni. I Qubit hanno un paio di proprietà interessanti che li rendono utili per i nuovi metodi di calcolo. I Qubit hanno due proprietà di cui gli ingegneri informatici possono trarre vantaggio: sovrapposizioni e entanglement.
Le sovrapposizioni quantistiche consentono ai qubit di esistere non solo nello stato “uno” o nello stato “zero”, ma lungo un continuum tra questi stati, il che significa che è possibile conservare più informazioni usando i qubit. Nel frattempo, l’entanglement quantistico si riferisce a un fenomeno in cui è possibile generare coppie di qubit e se un qubit viene modificato anche l’altro qubit viene modificato, in modo prevedibile. Queste proprietà quantistiche possono essere utilizzate per rappresentare e strutturare dati complessi in modi più efficienti.
Come funzionano i computer quantistici
Le “sovrapposizioni” quantistiche prendono il nome dal fatto che possono trovarsi in più di una posizione alla volta. Mentre i bit possono trovarsi in sole due posizioni, i qubit possono esistere in più stati contemporaneamente.
Grazie in parte all’esistenza di sovrapposizioni quantistiche, un computer quantistico è in grado di calcolare contemporaneamente diversi risultati potenziali. Una volta eseguiti i calcoli, i qubit vengono misurati, il che crea un risultato finale attraverso il collasso dello stato quantico su 0 o 1, il che significa che il risultato può quindi essere interpretato dai computer tradizionali.
I ricercatori e gli ingegneri di calcolo quantistico possono modificare la posizione in cui si trovano i qubit utilizzando microonde o laser di precisione.
Gli ingegneri informatici possono sfruttare l’entanglement quantistico per migliorare notevolmente la potenza di elaborazione dei computer. L’entanglement quantistico si riferisce al fatto che due qubit possono essere collegati tra loro in modo tale che cambiando uno dei qubit si modifica l’altro qubit in modo affidabile. Non è del tutto chiaro il motivo per cui i qubit possano stabilire una simile relazione o come funzioni esattamente questo fenomeno, ma gli scienziati lo comprendono abbastanza bene da poterne potenzialmente trarre vantaggio dai computer quantistici. A causa dell’entanglement quantistico, l’aggiunta di qubit extra a una macchina quantistica non solo raddoppia la potenza di elaborazione di un computer, ma può ridimensionare esponenzialmente la potenza di elaborazione.
Se tutto questo è sembrato un po ‘troppo astratto, possiamo descrivere come le sovrapposizioni siano utili immaginando un labirinto. Affinché un normale computer tenti di risolvere un labirinto, deve provare ogni percorso del labirinto fino a quando non trova un percorso riuscito. Tuttavia, un computer quantistico potrebbe essenzialmente esplorare tutti i diversi percorsi contemporaneamente, dal momento che non è legato a nessuno stato dato.
Tutto questo per dire che le proprietà dell’entanglement e delle sovrapposizioni rendono utili i computer quantistici perché possono gestire l’incertezza, sono in grado di esplorare stati e risultati più possibili. I computer quantistici aiuteranno gli scienziati e gli ingegneri a modellare e comprendere meglio le situazioni sfaccettate, con molte variabili.
A cosa servono i computer quantistici?
Ora che abbiamo un’intuizione migliore su come funzionano i computer quantistici, esploriamo i possibili casi d’uso per i computer quantistici.
Abbiamo già accennato al fatto che i computer quantistici possono essere utilizzati per eseguire calcoli tradizionali a un ritmo molto più veloce. Tuttavia, la tecnologia informatica quantistica può essere utilizzata per ottenere cose che potrebbero non essere nemmeno possibili, o che sono altamente poco pratiche, con i computer tradizionali.
Una delle applicazioni più promettenti e interessanti dei computer quantistici è nel campo dell’intelligenza artificiale. I computer quantistici hanno il potere di migliorare i modelli creati dalle reti neurali, nonché il software che li supporta. Google sta attualmente utilizzando i suoi computer quantistici per aiutare nella creazione di veicoli a guida autonoma.
Anche i computer quantistici svolgono un ruolo nell’analisi delle interazioni e delle reazioni chimiche . Anche i computer normali più avanzati possono solo modellare le reazioni tra molecole relativamente semplici, che ottengono simulando le proprietà delle molecole in questione. I computer quantistici, tuttavia, consentono ai ricercatori di creare modelli che hanno le proprietà quantiche esatte come le molecole che stanno ricercando. Una modellizzazione delle molecole più rapida e accurata aiuterebbe nella creazione di nuovi farmaci terapeutici e nuovi materiali da utilizzare nella creazione di tecnologie energetiche, come pannelli solari più efficienti.
I computer quantistici possono anche essere utilizzati per prevedere meglio il tempo. Il tempo è la confluenza di molti eventi e le formule utilizzate per prevedere i modelli meteorologici sono complicate, contenenti molte variabili. Può richiedere molto tempo per eseguire tutti i calcoli necessari per prevedere il tempo, durante il quale possono evolversi le condizioni meteorologiche stesse. Fortunatamente, le equazioni utilizzate per prevedere il tempo hanno una natura ondulatoria che un computer quantistico può sfruttare. I computer quantistici possono aiutare i ricercatori a costruire modelli climatici più accurati, necessari in un mondo in cui il clima sta cambiando.
I computer e gli algoritmi quantistici possono anche essere utilizzati per garantire la riservatezza dei dati delle persone. La crittografia quantistica fa uso del principio di incertezza quantistica, in cui ogni tentativo di misurare un oggetto finisce per apportare modifiche a quell’oggetto. I tentativi di intercettare le comunicazioni influenzerebbero la comunicazione risultante e mostrerebbero prove di manomissione.
Guardando avanti
La maggior parte degli usi per i computer quantistici sarà limitata agli accademici e alle imprese. È improbabile che i consumatori / il pubblico ottengano smartphone quantistici, almeno non presto. Questo perché richiede apparecchiature specializzate per far funzionare un computer quantistico. I computer quantistici sono estremamente sensibili ai disturbi, poiché anche i più piccoli cambiamenti nell’ambiente circostante possono far cambiare posizione ai qubit e abbandonare lo stato di sovrapposizione. Questo si chiama decoerenza ed è uno dei motivi per cui i progressi nei computer quantistici sembrano arrivare così lentamente rispetto ai computer normali. I computer quantistici in genere devono funzionare in condizioni di temperature estremamente basse, isolate da altre apparecchiature elettriche.
Anche con tutte le precauzioni, il rumore riesce comunque a creare errori nei calcoli e i ricercatori sono alla ricerca di modi per rendere più affidabili i qubit. Per raggiungere la supremazia quantistica, in cui un computer quantistico eclissa completamente la potenza di un attuale supercomputer, i qubit devono essere collegati tra loro. Un vero computer quantistico supremo potrebbe richiedere migliaia di qubit, ma i migliori computer quantistici oggi in genere possono gestire solo circa 50 qubit. I ricercatori fanno costantemente strada per creare qubit più stabili e affidabili. Gli esperti nel campo dei computer quantistici prevedono che dispositivi quantici potenti e affidabili potrebbero essere qui entro un decennio.
