Che cos'è l'informatica quantistica?

L'informatica quantistica utilizza la meccanica quantistica per elaborare enormi quantità di informazioni a una velocità incredibilmente elevata. Ci vogliono da pochi minuti a diverse ore perché 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 intelligenza artificiale.

Spiegazione del calcolo quantistico

L'idea dell'informatica quantistica 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 poteva. Non è stato fino alla fine degli anni '90 che i ricercatori hanno costruito i primi computer quantistici.

L'unità di elaborazione primaria dell'informatica quantistica sono i bit o qubit quantistici. I qubit vengono creati nel computer quantistico utilizzando le proprietà della meccanica quantistica di singoli atomi, particelle subatomiche o circuiti elettrici superconduttori.

I qubit sono simili ai bit utilizzati dai computer desktop in quanto i qubit possono trovarsi in uno stato quantistico 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 danno luogo a 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 a zero Assoluto (circa meno 272 gradi Celsius). I qubit devono inoltre 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 e intrappolare qubit senza perdere alcuna informazione.

Il computer quantistico realizza questi qubit da qualsiasi materiale che mostri proprietà quantomeccaniche controllabili. I progetti di calcolo quantistico creano qubit in modi diversi, come ad esempio il loop di fili superconduttori, la rotazione di elettroni e l'intrappolamento di ioni o impulsi di fotoni. Questi qubit esistono solo nelle temperature sotto lo zero create nel frigorifero a diluizione.

Il linguaggio di programmazione dell'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 aziende tecnologiche.

Questi sono alcuni dei linguaggi di programmazione dell'informatica quantistica:

• QISKit: Il Kit software informazioni quantistiche di IBM è una libreria full-stack per scrivere, simulare ed eseguire programmi quantistici.
• Q#: Il linguaggio di programmazione incluso in Microsoft Kit di sviluppo quantistico. 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.
• foresta: Un ambiente di sviluppo creato da Rigetti Computing che scrive ed esegue programmi quantistici.

Usi per l'informatica quantistica

Negli ultimi anni sono diventati disponibili veri computer quantistici e solo poche grandi aziende tecnologiche hanno un computer quantistico. Alcune di queste aziende 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 informatici quantistici e il progresso nella potenza di calcolo offre a ricercatori e scienziati nuovi strumenti per trovare soluzioni a problemi che in precedenza erano impossibili da risolvere. Il calcolo quantistico ha ridotto la quantità di tempo e le risorse necessarie per analizzare quantità incredibili di dati, creare simulazioni su tali dati, sviluppare soluzioni e creare nuove tecnologie che risolvono 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 possono 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 risolvere 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 l'informatica quantistica

Alcuni scienziati informatici sviluppano metodi per simulare l'informatica quantistica 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 il Ambiente IBM Q con accesso a diversi computer quantistici reali e simulazioni che puoi utilizzare attraverso il cloud.
• Alibaba Cloud offre a piattaforma cloud di calcolo quantistico dove è possibile 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 in 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. Il calcolo quantistico prende il più grande grandi dati raccoglie ed elabora queste informazioni in una frazione del tempo che impiegherebbe un computer desktop. I dati che un computer desktop richiederebbero diversi anni per essere elaborati e analizzati richiedono solo pochi giorni per un computer quantistico.

L'informatica quantistica 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.