Il calcolo quantistico utilizza la meccanica quantistica per elaborare enormi quantità di informazioni a una velocità incredibilmente alta. Ci vogliono da pochi minuti a diverse ore prima che un computer quantistico risolva un problema che un computer desktop impiegherebbe anni o decenni per risolvere.
L'informatica quantistica sta preparando il terreno per una nuova generazione di supercomputer. Si prevede che questi computer quantistici supereranno le prestazioni della tecnologia esistente in aree come la modellazione, la logistica, l'analisi delle tendenze, la crittografia e l'intelligenza artificiale.
Spiegazione del calcolo quantistico
L'idea del calcolo quantistico è stata concepita per la prima volta nei primi anni '80 da Richard Feynman e Yuri Manin. Feynman e Manin credevano che un computer quantistico potesse simulare i dati in modi che un computer desktop non potrebbe. Non è stato fino alla fine degli anni '90 che i ricercatori hanno costruito i primi computer quantistici.
Il calcolo quantistico utilizza la meccanica quantistica, come la sovrapposizione e l'entanglement, per eseguire calcoli. La meccanica quantistica è una branca della fisica che studia cose estremamente piccole, isolate o fredde.
L'unità di elaborazione principale del calcolo quantistico sono i bit quantistici o i qubit. I qubit vengono creati nel computer quantistico utilizzando le proprietà quantomeccaniche di singoli atomi, particelle subatomiche o circuiti elettrici superconduttori.
I qubit sono simili ai bit utilizzati dai computer desktop in quanto i qubit possono essere in uno stato quantico 1 o 0. I qubit differiscono in quanto possono anche trovarsi in una sovrapposizione degli stati 1 e 0, il che significa che i qubit possono rappresentare sia 1 che 0 contemporaneamente.
Quando i qubit sono in sovrapposizione, due stati quantistici vengono sommati e risultano in un altro stato quantistico. Sovrapposizione significa che più calcoli vengono elaborati contemporaneamente. Quindi, due qubit possono rappresentare quattro numeri contemporaneamente. I normali computer elaborano i bit solo in uno dei due possibili stati, 1 o 0, e i calcoli vengono elaborati uno alla volta.
I computer quantistici usano anche l'entanglement per elaborare i qubit. Quando un qubit è entangled, lo stato di quel qubit dipende dallo stato di un altro qubit in modo che un qubit riveli lo stato della sua coppia non osservata.
Il processore quantistico è il cuore del computer
Creare qubit è un compito difficile. Ci vuole un ambiente congelato per mantenere un qubit per un certo periodo di tempo. I materiali superconduttori necessari per creare un qubit devono essere raffreddati fino allo zero assoluto (circa meno 272 gradi Celsius). I qubit devono anche essere schermati dal rumore di fondo per ridurre gli errori di calcolo.
L'interno di un computer quantistico sembra un elegante lampadario d'oro. E, sì, è fatto con oro vero. È un frigorifero a diluizione che raffredda i chip quantistici in modo che il computer possa creare sovrapposizioni ed entangle qubit senza perdere nessuna delle informazioni.
Il computer quantistico crea questi qubit da qualsiasi materiale che mostri proprietà quantomeccaniche che possono essere controllate. I progetti di calcolo quantistico creano qubit in diversi modi, come il loop di fili superconduttori, la rotazione di elettroni e l'intrappolamento di ioni o impulsi di fotoni. Questi qubit esistono solo alle temperature sotto lo zero create nel frigorifero di diluizione.
Il linguaggio di programmazione per l'informatica quantistica
Gli algoritmi quantistici analizzano i dati e offrono simulazioni basate sui dati. Questi algoritmi sono scritti in un linguaggio di programmazione incentrato sui quanti. Diversi linguaggi quantistici sono stati sviluppati da ricercatori e società tecnologiche.
Questi sono alcuni dei linguaggi di programmazione per il calcolo quantistico:
- QISKit: Il Quantum Information Software Kit di IBM è una libreria full-stack per scrivere, simulare ed eseguire programmi quantistici.
- Q: Il linguaggio di programmazione incluso nel Microsoft Quantum Development Kit. Il kit di sviluppo include un simulatore quantistico e librerie di algoritmi.
- Cirq: un linguaggio quantistico sviluppato da Google che utilizza una libreria Python per scrivere circuiti ed eseguire questi circuiti in computer quantistici e simulatori.
- Forest: un ambiente di sviluppo creato da Rigetti Computing che scrive ed esegue programmi quantistici.
Utilizzi per il calcolo quantistico
Negli ultimi anni sono diventati disponibili computer quantistici reali e solo poche grandi aziende tecnologiche hanno un computer quantistico. Alcune di queste società tecnologiche includono Google, IBM, Intel e Microsoft. Questi leader tecnologici stanno lavorando con produttori, società di servizi finanziari e aziende biotecnologiche per risolvere una serie di problemi.
La disponibilità di servizi di computer quantistici e il progresso nella potenza di calcolo offrono a ricercatori e scienziati nuovi strumenti per trovare soluzioni a problemi che prima erano impossibili da risolvere. Il calcolo quantistico ha ridotto la quantità di tempo e risorse necessarie per analizzare incredibili quantità di dati, creare simulazioni su tali dati, sviluppare soluzioni e creare nuove tecnologie che risolvano i problemi.
Le imprese e l'industria utilizzano l'informatica quantistica per esplorare nuovi modi di fare affari. Ecco alcuni dei progetti di calcolo quantistico che potrebbero avvantaggiare le imprese e la società:
- L'industria aerospaziale utilizza l'informatica quantistica per studiare modi migliori per gestire il traffico aereo.
- Le società finanziarie e di investimento sperano di utilizzare l'informatica quantistica per analizzare il rischio e il rendimento degli investimenti finanziari, ottimizzare le strategie di portafoglio e regolare le transizioni finanziarie.
- I produttori stanno adottando l'informatica quantistica per migliorare le loro catene di approvvigionamento, creare efficienze nei loro processi di produzione e sviluppare nuovi prodotti.
- Le aziende biotecnologiche stanno esplorando modi per accelerare la scoperta di nuovi farmaci.
Trova un computer quantistico e sperimenta con il calcolo quantistico
Alcuni informatici sviluppano metodi per simulare il calcolo quantistico su un computer desktop.
Molte delle più grandi aziende tecnologiche del mondo offrono servizi quantistici. Se abbinati a computer e sistemi desktop, questi servizi quantistici creano un ambiente in cui l'elaborazione quantistica, con i computer desktop, risolve problemi complessi.
- IBM offre l'ambiente IBM Q con accesso a diversi computer quantistici reali e simulazioni che puoi utilizzare tramite il cloud.
- Alibaba Cloud offre una piattaforma cloud di calcolo quantistico in cui puoi eseguire e testare codici quantistici personalizzati.
- Microsoft offre un kit di sviluppo quantistico che include il linguaggio di programmazione Q, simulatori quantistici e librerie di sviluppo di codice pronto per l'uso.
- Rigetti ha una piattaforma cloud quantistica che è attualmente in versione beta. La loro piattaforma è preconfigurata con il loro Forest SDK.
Notizie sull'informatica quantistica nel futuro
Il sogno è che i computer quantistici risolvano problemi attualmente troppo grandi e troppo complessi per essere risolti con hardware standard, in particolare per la modellazione ambientale e il contenimento delle malattie.
I computer desktop non hanno lo spazio per eseguire questi calcoli complessi ed eseguire questa incredibile quantità di analisi dei dati. L'informatica quantistica raccoglie le più grandi raccolte di big data ed elabora queste informazioni in una frazione del tempo che impiegherebbe su un computer desktop. I dati che un computer desktop richiederebbero diversi anni per l'elaborazione e l'analisi richiedono solo pochi giorni per un computer quantistico.
Il calcolo quantistico è ancora agli inizi, ma ha il potenziale per risolvere i problemi mondiali più complessi alla velocità della luce. Nessuno sa fino a che punto crescerà l'informatica quantistica e la disponibilità di computer quantistici.
