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Come la meccanica quantistica cambierà l’industria tecnologica

Richard Feynman una volta disse: “Se pensi di capire la meccanica quantistica, allora non capisci la meccanica quantistica”. Anche se questo può essere vero, certamente non significa che non possiamo provare. Dopotutto, dove saremmo senza la nostra innata curiosità?

Per capire il potere dell’ignoto, districheremo i concetti chiave dietro la fisica quantistica – due di loro, per essere esatti (eh!). È tutto piuttosto astratto, davvero, ma questa è una buona notizia per noi, perché non devi essere un fisico teorico vincitore del Nobel per capire cosa sta succedendo. E cosa sta succedendo? Bene, scopriamolo.

Posa delle basi
Inizieremo con un breve esperimento mentale. Il fisico austriaco Erwin Schrödinger vuole farti immaginare un gatto in una scatola sigillata. Fin qui tutto bene. Ora immagina che una fiala contenente una sostanza mortale sia collocata all’interno della scatola. Che cosa è successo al gatto? Non possiamo sapere con certezza. Quindi, fino a quando la situazione non viene osservata, ovvero apriamo la scatola, il gatto è sia vivo che morto, o in termini più scientifici, è in una sovrapposizione di stati. Questo famoso esperimento mentale è noto come il paradosso del gatto di Schrödinger e spiega perfettamente uno dei due principali fenomeni della meccanica quantistica.

La sovrapposizione impone che, proprio come il nostro amato gatto, esiste una particella in tutti gli stati possibili fino al momento in cui viene misurata. “Osservando” la particella distrugge immediatamente le sue proprietà quantistiche, e voilà, è di nuovo governata dalle regole della meccanica classica.

Ora, le cose stanno per diventare più difficili, ma non scoraggiarti – anche Einstein è stato respinto dall’idea. Descritto dall’uomo stesso come “azione spettrale a distanza”, l’entanglement è una connessione tra una coppia di particelle – un’interazione fisica che risulta nel loro stato condiviso (o mancanza di essa, se si passa per sovrapposizione).

L’entanglement impone che un cambiamento nello stato di una particella aggrovigliata inneschi una risposta immediata e prevedibile dalla particella rimanente. Per mettere le cose in prospettiva, gettiamo in aria due monete intrecciate. Successivamente, osserviamo il risultato. La prima moneta è atterrata sulla testa? Quindi la moneta rimanente deve essere croce. In altre parole, quando osservate, le particelle impigliate contrastano gli stati reciproci. Non c’è bisogno di aver paura, però: l’entanglement non è così comune. Non ancora, cioè.

Il probabile eroe
“Qual è il punto di tutta questa conoscenza se non posso usarla?”, Potresti chiederti. Qualunque sia la tua domanda, è probabile che un computer quantistico abbia la risposta. In un computer digitale, il sistema richiede bit per aumentare la sua potenza di elaborazione. Pertanto, al fine di raddoppiare la potenza di elaborazione, è sufficiente raddoppiare la quantità di bit – questo non è affatto simile nei computer quantistici .

Un computer quantistico utilizza qubit, l’unità base delle informazioni quantistiche, per fornire capacità di elaborazione senza eguali anche dai supercomputer più potenti al mondo. Come? I qubit sovrapposti possono contemporaneamente affrontare una serie di potenziali risultati (o stati, per essere più coerenti con i nostri segmenti precedenti). In confronto, un computer digitale può eseguire solo un calcolo alla volta. Inoltre, attraverso l’entanglement, siamo in grado di amplificare in modo esponenziale la potenza di un computer quantistico, in particolare confrontandolo con l’efficienza dei bit tradizionali in una macchina digitale. Per visualizzare la scala, considera la quantità di potenza di elaborazione fornita da ciascun qubit e ora raddoppia.

Niente è perfetto
Ma c’è un problema: anche le più piccole vibrazioni e sbalzi di temperatura, indicati dagli scienziati come “rumore”, possono causare il decadimento delle proprietà quantistiche e, infine, la scomparsa del tutto. Sebbene non sia possibile osservarlo in tempo reale, ciò che si verificherà è un errore computazionale. Il decadimento delle proprietà quantistiche è noto come decoerenza ed è uno dei maggiori contrattempi quando si tratta di tecnologia che si basa sulla meccanica quantistica.

In uno scenario ideale, un processore quantistico è completamente isolato dall’ambiente circostante. Per fare ciò, gli scienziati usano frigoriferi specializzati, noti come frigoriferi criogenici. Questi frigoriferi criogenici sono più freddi dello spazio interstellare e consentono al nostro processore quantico di condurre elettricità praticamente senza resistenza. Questo è noto come uno stato superconduttore e rende i computer quantistici estremamente efficienti. Di conseguenza, il nostro processore quantistico richiede una frazione dell’energia che un processore digitale userebbe, generando in modo esponenziale più potenza e sostanzialmente meno calore nel processo. In uno scenario ideale, cioè.

Un (nuovo) mondo di possibilità
Previsioni meteorologiche, modellistica finanziaria e molecolare, fisica delle particelle … le possibilità di applicazione per il calcolo quantistico sono sia enormi che prospere.

Tuttavia, una delle prospettive più allettanti è forse quella dell’intelligenza artificiale quantistica. Questo perché i sistemi quantistici eccellono nel calcolo delle probabilità per molte possibili scelte: la loro capacità di fornire un feedback continuo al software intelligente non ha eguali nel mercato di oggi. L’impatto stimato è incommensurabile, spaziando tra campi e settori, dall’intelligenza artificiale nell’automotive fino alla ricerca medica. Lockheed Martin, colosso aerospaziale americano, ha rapidamente compreso i vantaggi e sta già guidando l’esempio con il suo computer quantistico, utilizzandolo per i test del software autopilota. Prendi nota.

I principi della meccanica quantistica sono anche usati per affrontare i problemi della sicurezza informatica. La crittografia RSA (Rivest-Shamir-Adleman), uno dei metodi di crittografia dei dati più utilizzati al mondo, si basa sulla difficoltà di considerare numeri primi (molto) di grandi dimensioni. Mentre questo può funzionare con i computer tradizionali, che non sono particolarmente efficaci nella risoluzione di problemi a più fattori, i computer quantistici possono facilmente craccare queste crittografie grazie alla loro capacità unica di calcolare simultaneamente numerosi risultati.

Teoricamente, la distribuzione delle chiavi Quantum si occupa di questo con un sistema di crittografia basato sulla sovrapposizione. Immagina di provare a trasmettere informazioni sensibili a un amico. Per fare ciò, si crea una chiave di crittografia utilizzando qubit, che vengono quindi inviati al destinatario tramite un cavo ottico. Se i qubit codificati fossero stati osservati da una terza parte, sia tu che il tuo amico sarete stati avvisati da un errore imprevisto nell’operazione. Tuttavia, per massimizzare i vantaggi di QKD, le chiavi di crittografia dovrebbero mantenere le loro proprietà quantistiche in ogni momento. Più facile a dirsi che a farsi.

Cibo per la mente
Non si ferma qui. Le menti più brillanti di tutto il mondo cercano costantemente di utilizzare l’ entanglement come modalità di comunicazione quantistica . Finora, i ricercatori cinesi sono stati in grado di trasmettere con successo coppie di fotoni impigliati attraverso il loro satellite Micius su un record di 745 miglia. Questa è la buona notizia. La cattiva notizia è che, su 6 milioni di fotoni aggrovigliati trasmessi ogni secondo, solo una coppia è sopravvissuta al viaggio (grazie, decoerenza). Un’impresa incredibile, tuttavia, questo esperimento delinea il tipo di infrastruttura che potremmo utilizzare in futuro per proteggere le reti quantistiche.

La razza quantistica ha anche visto un recente progresso da QuTech , un centro di ricerca presso TU Delft nei Paesi Bassi – il loro sistema quantistico opera a una temperatura più calda di un grado rispetto allo zero assoluto (-273 gradi Celsius).

Mentre questi risultati possono sembrare insignificanti per te e per me, la verità è che, una prova dopo l’altra, una ricerca così innovativa ci sta avvicinando alla tecnologia di domani. Una cosa rimane invariata, tuttavia, e questa è la clamorosa realtà che coloro che riescono a sfruttare con successo il potere della meccanica quantistica avranno la supremazia sul resto del mondo. Come pensi che lo useranno?

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