twitterlinkedinmail

Comprendere i concetti fondamentali dell'informatica quantistica

L'informatica quantistica è un campo di ricerca in crescita, di particolare interesse per la sua caratteristica di combinare insieme fisica e computer science, al fine di espandere le potenzialità computazionali a nostra disposizione.

"Quantum Computing Essentials" introduce i principi chiave dell'informatica quantistica (tra cui concetti quali sovrapposizione, misurazione quantistica ed entanglement), con l'intento di rendere accessibili alcuni degli aspetti più tecnici del Quantum Computing anche ad un pubblico più vasto di persone interessate all'argomento.

Prerequisiti

Non è richiesta alcuna conoscenza specifica della materia, se non quella ordinariamente ricevuta nei corsi di fisica della scuola secondaria superiore.

Alcuni richiami di matematica, necessari alla comprensione degli argomenti (quali ad es. algebra lineare, probabilità, ecc.) verranno introdotti di volta in volta nel corso della trattazione.

Indice dei contenuti

La sovrapposizione quantistica

In questa sezione, esaminiamo i concetti di sovrapposizione classica e quantistica, mettendo a confronto le rispettive caratteristiche.

La sovrapposizione quantistica costituisce il concetto fondamentale per comprendere tutti i fenomeni quantistici.

Poiché i fenomeni quantistici sfuggono alla nostra capacità di osservazione nella vita quotidiana, essi possono apparire controintuitivi e confusi.

I fenomeni quantistici descrivono infatti il comportamento nel mondo fisico a livello delle particelle subatomiche.

Per comprendere il concetto di sovrapposizione quantistica, sarà utile quindi confrontarlo con l'omologo concetto della fisica classica

Sovrapposizione "classica"

Nella fisica classica, il concetto di sovrapposizione viene utilizzato per descrivere quando due grandezze fisiche vengono sommate per formare una terza grandezza fisica, completamente diversa dalle due originali.

Un esempio tipico del principio di sovrapposizione nell'ambiti della fisica classica, è rappresentato dalle onde:

Sovrapposizione di onde (Image credits: "Quantum Computing for the Quantum Curious" di Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner)

Due onde che si incrociano interferiranno tra di loro sovrapponendosi, creando così una terza onda che è il risultato della somma delle due, rinforzandosi o annullandosi a seconda dei casi.

Sovrapposizione quantistica

La sovrapposizione quantistica è un fenomeno associato ai sistemi quantistici.

I sistemi quantistici includono oggetti microscopici come nuclei, elettroni, particelle elementari e fotoni, per i quali si osserva la dualità onda-particella e altri effetti non classici.

I sistemi quantistisci si caratterizzano inoltre per il fenomeno noto come sovrapposizione di stati.

Cerchiamo di comprendere con un esempio di che cosa si tratta.

Sovrapposizione di stati - Esempio del lancio della moneta

Per comprendere intuitivamente la sovrapposizione quantistica possiamo usare l'esempio del lancio di una moneta.

Sovrapposizione di stati nel lancio di una moneta (Image credits: "Quantum Computing for the Quantum Curious" di Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner)

Una moneta ha una probabilità del 50 percento di ottenere testa o croce.

In che stato è la moneta mentre è in aria? È testa o croce?

Possiamo dire che la moneta è in una sovrapposizione di entrambi gli stati possibili, testa e croce.

Solo quando cade a terra essa assume uno stato definito, pari a testa o croce.

Sovrapposizione di stati e quantizzazione

Lo stato è correlato ai suoi valori quantizzati.

Normalmente ci si aspetterebbe che un oggetto possa avere una quantità arbitraria di energia cinetica compresa tra 0 e infinito.

Ad esempio, una palla potrebbe essere ferma oppure lanciata a qualsiasi velocità.

Tuttavia, secondo la meccanica quantistica, l'energia della palla è quantizzata, il che significa che può avere solo determinati valori.

Un esempio specifico di quantizzazione dell'energia è quando le energie possono assumere solo valori interi (0,1,2,3,...) ma non numeri intermedi.

Un elettrone in orbita attorno a un atomo di idrogeno potrebbe essere nello stato fondamentale o in uno stato eccitato.

Un sistema quantistico è speciale proprio perché può trovarsi in una sovrapposizione di questi stati definiti.

Sovrapposizione di stati e misurazione

In generale, la parola "stato" indica un modo particolare in cui un sistema può essere descritto.

Ad esempio, la moneta può essere testa o croce o una combinazione di testa o croce mentre viene lanciata in aria.

Tutti questi casi sono chiamati stati del sistema.

Mentre la moneta viene lanciata, è in uno stato di sovrapposizione.

Quando osserviamo la moneta, stiamo facendo una misurazione che distrugge la sovrapposizione.

In un dato momento, un sistema può essere descritto come in uno stato particolare.

Il risultato di una misurazione è osservare uno stato definito con una data probabilità.

I sistemi quantistici possono esistere in uno stato di sovrapposizione e la misurazione del sistema farà collassare lo stato di sovrapposizione in uno stato classico definito.

Il gatto di Schrödinger

Concludiamo questa sezione citando un esperimento diventato ormai celebre.

Nel famoso esperimento mentale di Schrödinger, il gatto di Schrödinger è posto in una scatola chiusa con un singolo atomo che ha qualche probabilità di emettere radiazioni mortali in qualsiasi momento.

L'esperimento mentale del gatto di Schrodinger (Image credits: Wikipedia.org)

Poiché il decadimento nucleare radioattivo è un processo spontaneo, è impossibile prevedere con certezza quando il nucleo decade.

Pertanto, non si sa se il gatto è vivo o morto finchè non si apra la scatola e si guardi al suo interno.

Si può dire quindi che il gatto è sia vivo che morto con una probabilità diversa da zero.

Cioè, il gatto è in uno stato di sovrapposizione quantistica finché non si apre la scatola e si misura il suo stato.

Al momento della misurazione, il gatto è ovviamente vivo oppure morto e la sovrapposizione è collassata in uno stato classico definito e non più di sovrapposizione.

Qubits, l'unità di calcolo del QC
In questa sezione ci occuperemo di:

  • Mathematical Representation of Qubits
  • Bra-Ket notation
  • Matrix Representation
  • Bloch Sphere
  • Physical Realization of Qubits

Di prossima pubblicazione – Rimani aggiornato

Quantum Gates
In questa sezione saranno approfonditi i seguenti argomenti:

  • Single Qubit Gates
  • X NOT Gates
  • Hadamard Gate
  • Mathematics of the Hadamard Gate

Di prossima pubblicazione – Rimani aggiornato

Entanglement Fundamentals
In questa sezione ci occuperemo di:

  • Hidden Variable Theory
  • Multi-Qubit States
  • Non-Entangled Systems
  • Entangled Systems
  • CNOT Gate
  • Notation Convention

Di prossima pubblicazione – Rimani aggiornato

Quantum Computing Algorithms
In questa sezione analizzeremo nel dettaglio:

  • La potenza computazionale del Quantum Computing
  • I limiti computazionali del Quantum Computing
  • Gli algoritmi del Quantum Computing
  • Quantum Computers tra realtà e mito

Di prossima pubblicazione – Rimani aggiornato

Rimani aggiornato sui contenuti

Sottoscrivi la nostra Newsletter per rimanere aggiornato sui contenuti: