A cura di Federico Cecchini

Anche se non siamo in grado di vederlo direttamente, tutti noi sappiamo che i computer funzionano attraverso un codice binario, ovvero attraverso i bit. Sostanzialmente i bit corrispondono ad impulsi elettrici, che vengono codificati all’interno dell’hardware, per generare sequenze di “0” ed  “1”, che vengono poi tradotte in specifici comandi dal calcolatore. In un computer classico i bit possono assumere solamente i valori 0 o 1.

I computer quantistici invece, lavorano con bit quantistici, o qubits, i quali hanno la particolarità di poter assumere il valore 0 ed 1 nello stesso istante, ed è proprio questa  proprietà che conferisce loro una potenza di calcolo notevolmente superiore rispetto ad un normale PC. Ma com’è possibile che un bit possa assumere due valori contemporaneamente?

Per capirlo bisogna addentrarsi nell’universo microscopico della materia, governato dalle leggi della meccanica quantistica, le quali descrivono un mondo in cui niente è certo e tutto è probabilistico. Esistono diversi elementi in natura con i quali è possibile creare un qubit ed uno di questi è l’elettrone: la particella subatomica carica negativamente che “gira” intorno al nucleo degli atomi.  Oltre a questo moto di “rivoluzione” intorno al nucleo, l’elettrone compie anche un altro tipo di moto, ruotando su se stesso, e generando dei microscopici campi magnetici nello spazio intorno a lui. Questa proprietà è chiamata spin ed essa permette di considerare l’elettrone come un minuscolo magnete, con i suoi poli nord e sud. Se lo si mette all’interno di un campo magnetico esterno, l’elettrone si allineerà con il campo (proprio come una bussola si allinea con il campo magnetico terrestre) e tale tipo di allineamento può avvenire sostanzialmente secondo due modalità: una a bassa energia in cui il campo magnetico dell’elettrone si pone in senso concorde con il campo magnetico esterno (spin down) e a cui corrisponde il valore 0, ed una ad alta energia (spin up) in cui l’elettrone si pone esattamente nel verso opposto al campo magnetico esterno e a cui corrisponde il valore 1. Fino a qui non c’è niente di speciale, nel senso che sembrerebbe che i qubit si comportino esattamente come dei normali bit, potendo assumere solamente il valore spin down = 0 o spin up = 1. Ma la cosa strana degli oggetti quantistici è che possono trovarsi contemporaneamente in diversi stati fino a quando non si compie una misurazione su di essi, le cosiddette superposizioni quantistiche. Per cui l’elettrone, fino a che non viene osservato, si trova sia nello stato di spin up che nello stato di spin down, ed è quindi sia 0 che 1.

Ora, la superiore potenza di calcolo dei computer quantistici la si capisce appieno considerando due qubits che interagiscono. In un computer classico, a due bit corrispondono quattro pacchetti di informazione, infatti si possono rappresentare quattro differenti stati:

00

01

10

11

Per definire uno di questi quattro stati è necessario conoscere il valore del primo bit e il valore del secondo bit, per cui l’informazione è generata da due numeri. Avendo a che fare con i qubits invece, la meccanica quantistica permette di creare delle superposizioni di ognuno di questi quattro stati, in cui è possibile rappresentare anche livelli intermedi di informazione attraverso dei coefficienti che rappresentano la probabilità del verificarsi di ciascuno stato.

Qubit computer quantistico. Close-up Engineering
PH: itworld.com

 

Per determinare l’informazione relativa a due qubits, è necessario quindi definire quattro numeri (quattro coefficienti). Per cui si capisce che due qubits, in realtà, contengono quattro bit di informazione. Aggiungendo un terzo qubit, per definire uno specifico stato sarà necessario determinare otto numeri. Andando avanti, si può concludere che il contenuto di informazione rappresentabile con N qubits, è equivalente a quello di 2bit, per cui la potenza di calcolo di un computer quantistico è esponenzialmente superiore rispetto a quella di un normale computer.

I risvolti futuri potrebbero essere enormi, infatti se immaginiamo di avere a disposizione un computer quantistico a 300 qubits, saremmo in grado di rappresentare un quantitativo di informazione equivalente a quello di 2300 bit, un numero superiore a quello di tutte particelle presenti nell’universo conosciuto.

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