La trasformazione digitale sta cambiando il mondo più velocemente che mai. L'apprendimento dei concetti chiave dell'era digitale diventerà ancora più critico con l'arrivo imminente di un'altra nuova ondata di tecnologia in grado di trasformare i modelli esistenti con velocità e potenza sorprendenti: l'informatica quantistica.
In questo articolo, confrontiamo i concetti di base dell'informatica tradizionale e dell'informatica quantistica e iniziamo anche a esplorare la loro applicazione in diverse aree.
Cosa sono le proprietà quantistiche?
Nel corso della storia, gli esseri umani hanno sviluppato la tecnologia man mano che sono arrivati a comprendere il funzionamento della natura attraverso la scienza. Tra il 1900 e il 1930, lo studio di alcuni fenomeni fisici non ancora ben compresi diede origine a una nuova teoria fisica: la Meccanica Quantistica. Questa teoria descrive e spiega il funzionamento del mondo microscopico, l'habitat naturale di molecole, atomi ed elettroni.
Non solo ha saputo spiegare questi fenomeni, ma ha anche permesso di comprendere che la realtà subatomica opera in modo del tutto controintuitivo, quasi magico, e che nel mondo microscopico avvengono eventi che non si verificano nel mondo macroscopico.
Queste proprietà quantistiche includono la sovrapposizione quantistica, l'entanglement quantistico e il teletrasporto quantistico.
- Sovrapposizione quantistica descrive come una particella può trovarsi in stati diversi contemporaneamente.
- Entanglement quantistico descrive come due particelle possano essere portate a uno stato di "aggrovigliamento" e, successivamente, rispondere quasi contemporaneamente allo stesso modo, nonostante la loro distanza fisica. In altre parole, possono essere posizionati alla distanza desiderata e, quando si interagisce con l'uno, l'altro reagisce alla stessa interazione.
- Teletrasporto quantistico utilizza l'entanglement quantistico per inviare informazioni da un luogo all'altro nello spazio senza la necessità di viaggiare nello spazio.
Il calcolo quantistico si basa su queste proprietà quantistiche di natura subatomica.
In questo caso, la comprensione odierna del mondo microscopico attraverso la Meccanica Quantistica ci permette di inventare e progettare tecnologie in grado di migliorare la vita delle persone. Esistono molte tecnologie diverse che utilizzano i fenomeni quantistici e alcune di esse, come i laser o la risonanza magnetica (MRI), esistono da più di mezzo secolo.
Cos'è il quantum computing?
Per capire come funzionano i computer quantistici, è utile prima spiegare come funzionano i computer che utilizziamo ogni giorno, indicati in questo articolo come computer digitali o classici. Questi, come tutti gli altri dispositivi elettronici come tablet o telefoni cellulari, utilizzano i bit come unità di memoria fondamentali. Ciò significa che i programmi e le applicazioni sono codificati in bit, cioè in un linguaggio binario di zero e uno.
Ogni volta che interagiamo con uno qualsiasi di questi dispositivi, ad esempio premendo un tasto sulla tastiera, stringhe di zero e uno vengono create, distrutte e/o modificate all'interno del computer.
La domanda interessante è: cosa sono questi zeri e quelli fisicamente all'interno del computer? Gli stati zero e uno dei bit corrispondono alla corrente elettrica che scorre, o meno, attraverso parti microscopiche chiamate transistor, che fungono da interruttori. Quando non scorre corrente, il transistor è "spento" e corrisponde a un bit 0, mentre quando scorre, è "acceso" e corrisponde a un bit 1.
In una forma più semplificata, è come se i bit 0 e 1 corrispondano a buchi, quindi un buco vuoto è un po' 0 e un buco occupato da un elettrone è un po' 1. Ora che abbiamo un'idea di come funzionano i computer di oggi , proviamo a capire come funzionano i computer quantistici.
Dai bit ai qubit
L'unità di informazione fondamentale nel calcolo quantistico è il bit quantistico o qubit. I qubit sono, per definizione, sistemi quantistici a due livelli che, come i bit, possono trovarsi al livello basso, che corrisponde a uno stato di bassa eccitazione o energia definito come 0; o al livello alto, che corrisponde ad uno stato di eccitazione superiore o definito come 1.
Tuttavia, e qui sta la differenza fondamentale con l'informatica classica, i qubit possono anche trovarsi in uno qualsiasi di un numero infinito di stati intermedi tra 0 e 1, come uno stato che è metà 0 e metà 1, o tre quarti di 0 e un quarto di 1. Questo fenomeno è noto come sovrapposizione quantistica ed è naturale nei sistemi quantistici.
Algoritmi quantistici: elaborazione esponenzialmente più potente ed efficiente
Lo scopo dei computer quantistici è sfruttare queste proprietà quantistiche dei qubit, come sistemi quantistici, per essere in grado di eseguire algoritmi quantistici che utilizzano la sovrapposizione e l'entanglement per offrire una potenza di elaborazione molto maggiore rispetto a quelli classici.
È importante sottolineare che il vero cambio di paradigma non consiste nel fare la stessa cosa che fanno i computer digitali o classici -quelli attuali-, ma più velocemente, come affermano erroneamente molti articoli, ma piuttosto che gli algoritmi quantistici consentono di eseguire determinate operazioni eseguita in un modo completamente diverso; che spesso è più efficiente, ovvero in molto meno tempo o utilizzando molte meno risorse computazionali.
Diamo un'occhiata a un esempio concreto di ciò che questo implica. Immaginiamo di essere a San Francisco e vogliamo sapere qual è il percorso migliore per New York su un milione di opzioni per arrivarci (N=1,000,000). Per poter utilizzare i computer per trovare il percorso ottimale, dobbiamo digitalizzare 1,000,000 di opzioni, il che implica tradurle in linguaggio bit per il computer classico e in qubit per il computer quantistico.
Mentre un computer classico dovrebbe percorrere tutti i percorsi uno per uno fino a trovare quello desiderato, un computer quantistico sfrutta un processo noto come parallelismo quantistico che gli consente, essenzialmente, di considerare tutti i percorsi contemporaneamente. Ciò implica che il computer quantistico troverà il percorso ottimale molto più velocemente del computer classico, grazie all'ottimizzazione delle risorse utilizzate.
Per comprendere le differenze di capacità computazionale, con n qubit possiamo fare l'equivalente di ciò che sarebbe possibile con 2n bit. Si dice spesso che con circa 270 qubit potresti avere più stati base in un computer quantistico – più stringhe di caratteri diverse e simultanee – rispetto al numero di atomi nell'universo, che è stimato a circa 280. Un altro esempio è che si stima che con un computer quantistico tra 2000 e 2500 qubit si potrebbe rompere praticamente tutta la crittografia utilizzata oggi (conosciuta come crittografia a chiave pubblica).
Per quanto riguarda la crittografia, ci sono numerosi vantaggi nell'utilizzo calcolo quantistico. Se due sistemi sono puramente intrecciati, significa che sono correlati tra loro (cioè, quando uno cambia, cambia anche l'altro) e nessuna terza parte condivide questa correlazione.
Takeaway
Siamo in un momento di trasformazione digitale in cui diverse tecnologie emergenti come blockchain, intelligenza artificiale, droni, Internet of Things, realtà virtuale, 5G, stampanti 3D, robot o veicoli autonomi sono sempre più presenti in molteplici campi e settori.
Queste tecnologie, destinate a migliorare la qualità della vita umana accelerando lo sviluppo e generando un impatto sociale, stanno attualmente avanzando parallelamente. Solo raramente vediamo aziende che sviluppano prodotti che sfruttano combinazioni di due o più di queste tecnologie, come blockchain e IoT o droni e intelligenza artificiale.
Sebbene siano destinati a convergere e quindi a generare un impatto esponenzialmente maggiore, la fase iniziale di sviluppo in cui si trovano e la scarsità di sviluppatori e persone con background tecnico significano che le convergenze sono ancora un compito in sospeso.
A causa del loro potenziale dirompente, ci si aspetta che le tecnologie quantistiche non solo convergano con tutte queste nuove tecnologie, ma abbiano anche un'ampia influenza su praticamente tutte. Calcolo quantistico minaccerà l'autenticazione, lo scambio e l'archiviazione sicura dei dati, avendo un impatto maggiore su quelle tecnologie in cui la crittografia gioca un ruolo più rilevante, come la sicurezza informatica o la blockchain.
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