Oggi Tesi Compilativa si occupa di quantum computing. La materia è complessa, ma affascinante e ci proietta in un mondo ancora tutto da immaginare. In buona sostanza i computer quantistici possono avere, a seconda dei compiti svolti, una potenza e una velocità di elaborazione infinitamente maggiore anche dei computer digitali più evoluti e ciò aprirà secondo le previsioni, delle prospettive scientifiche e commerciali rivoluzionarie, ad esempio, nel settore dell’intelligenza artificiale, della ricerca farmaceutica, della scienza dei materiali e della finanza.
Ma cos’è un computer quantistico? Come funziona e qual è la differenza rispetto a un computer digitale? Per rispondere occorre prima una preliminare ma breve digressione sulla meccanica quantistica, con particolare riferimento ai fenomeni della sovrapposizione e dell’entanglement, che più direttamente interessano i computer quantisitici.
La meccanica quantistica è quella parte della fisica che si occupa del comportamento di particelle molto piccole, come gli atomi, gli elettroni e i fotoni. Rispetto alla meccanica classica o newtoniana, in meccanica quantistica lo stato di un sistema fisico, cioè l’insieme delle proprietà fisiche che descrivono il sistema in un dato momento, non è univocamente determinato da precisi valori di posizione e velocità (o momento) delle sue componenti, ma è descritto in termini probabilistici da una funzione d’onda che fornisce, prima che sia eseguita una qualsiasi misurazione o osservazione, la probabilità, piuttosto che la certezza, che in quel dato momento le componenti del sistema abbiano certe proprietà fisiche (pozione, momento e altre ancora quali l’energia, lo spin e il momento angolare).
La natura probabilistica della funziona d’onda ci consente d’introdurre il concetto di sovrapposizione quantistica, il fenomeno per cui una particella di un sistema può esistere in più stati o posizioni contemporaneamente. Più precisamente, una particella può esistere in una "sovrapposizione" di più stati, con ogni stato che ha una diversa probabilità di essere osservato quando viene effettuata una misurazione.
Per capire la sovrapposizione, immaginate una moneta che viene lanciata e che gira nell'aria. Nella fisica classica, la moneta è necessariamente o testa o croce in qualsiasi momento, ma nella meccanica quantistica la moneta è sia testa che croce allo stesso tempo. Questo perché lo stato della moneta è descritto da una distribuzione di probabilità (50% testa, 50% croce), il che significa che può esistere in una combinazione di entrambi gli stati contemporaneamente.
L’entanglement, è il fenomeno quantistico per cui due o più particelle (o due sistemi) sono connesse tra loro in modo tale che lo stato di una particella influisce sullo stato dell'altra: la misurazione delle proprietà di una particella determina istantaneamente le proprietà dell'altra particella, indipendentemente dalla distanza che le separa. Questo effetto è noto come non-località. Questo comportamento è in contrasto con la fisica classica, dove l'informazione può viaggiare solo a una velocità finita (la velocità della luce) e lo stato di una particella non può essere influenzato da una misurazione effettuata istantaneamente su una particella distante.
Ecco un modo semplice per capire l'entanglement. Immaginate che ci siano due scatole, la scatola A e la scatola B. Ogni scatola contiene una pallina, che può essere rossa o blu. Tuttavia, non si sa quale colore sia in quale scatola. Supponiamo che Tizio e Caio prendano una scatola ciascuno e vadano ai lati opposti del mondo. Quando entrambi apriranno le rispettive scatole, vedranno una palla di un certo colore. Quando le due scatole sono in uno stato di entanglement, significa che alle palline non viene assegnato un colore preciso finché non vengono osservate. Quindi, non è che una pallina è sicuramente rossa e l'altra è sicuramente blu. Al contrario, le palline sono in una sovrapposizione di rosso e blu allo stesso tempo. Quando Tizio e Caio apriranno le rispettive scatole, l'atto di osservare il colore di una pallina determinerà istantaneamente il colore dell'altra, indipendentemente dalla distanza che li separa nel mondo. Quindi, se Tizio osserva che la sua pallina è rossa, saprà immediatamente che quella di Caio è blu, e viceversa.
Today Tesi Compilativa deals with quantum computing. The subject matter is complex, but fascinating and propels us into a world yet to be imagined. In essence, quantum computers can have, depending on the tasks they perform, infinitely more power and processing speed than even the most advanced digital computers, and this is predicted to open up revolutionary scientific and commercial prospects, for example, in artificial intelligence, pharmaceutical research, materials science and finance.
But what is a quantum computer? How does it work and what is the difference from a digital computer? To answer this we first need a preliminary but brief digression on quantum mechanics, with particular reference to the phenomena of superposition and entanglement, which most directly affect quantum computers.
Quantum mechanics is that part of physics that deals with the behavior of very small particles, such as atoms, electrons, and photons. Compared with classical or Newtonian mechanics, in quantum mechanics the state of a physical system, that is, the set of physical properties that describe the system at a given time, is not uniquely determined by precise values of position and velocity (or momentum) of its components, but is described in probabilistic terms by a wave function that provides, before any measurement or observation is made, the probability, rather than the certainty, that at that given moment the components of the system have certain physical properties (position, momentum, and others such as energy, spin, and angular momentum).
The probabilistic nature of the wave function allows us to introduce the concept of quantum superposition, the phenomenon whereby a particle in a system can exist in multiple states or positions simultaneously. More precisely, a particle can exist in a "superposition" of multiple states, with each state having a different probability of being observed when a measurement is made.
To understand superposition, imagine a coin being tossed and spinning in the air. In classical physics, the coin is necessarily either heads or tails at any time, but in quantum mechanics the coin is both heads and tails at the same time. This is because the coin's state is described by a probability distribution (50% heads, 50% tails), which means it can exist in a combination of both states at the same time.
Entanglement, is the quantum phenomenon whereby two or more particles (or two systems) are connected to each other in such a way that the state of one particle affects the state of the other: the measurement of the properties of one particle instantaneously determines the properties of the other particle, regardless of the distance between them. This effect is known as non-locality.
Here is a simple way to understand entanglement. Imagine that there are two boxes, box A and box B. Each box contains a ball, which can be red or blue. However, it is not known which color is in which box. Suppose Titius and Caius each take a box and go to opposite sides of the world. When they both open their respective boxes, they will see a ball of a certain color. When the two boxes are in a state of entanglement, it means that the balls are not assigned a specific color until they are observed. Thus, it is not that one ball is definitely red and the other is definitely blue. On the contrary, the balls are in a superposition of red and blue at the same time. When Titius and Caius open their respective boxes, the act of observing the color of one ball will instantly determine the color of the other, regardless of the distance between them in the world. Thus, if Titius observes that his ball is red, he will immediately know that Caius's is blue, and vice versa.