Cos’è un qubit ?

Alla scoperta dell’unità fondamentale del quantum computing, analizzandone caratteristiche e tecnologie di implementazione

Nel mondo dell’informatica quantistica, il termine “qubit” (abbreviazione di “quantum bit”) sta rapidamente diventando familiare.

Un qubit è l’unità fondamentale di informazione nel cosiddetto quantum computing. Rispetto al bit tradizionale dell’informatica classica, che può assumere solo i valori 0 oppure 1, il qubit rappresenta un’evoluzione radicale: sfruttando i principi della meccanica quantistica ha infatti la possibilità di esistere in una sovrapposizione di stati. Ciò significa che un qubit può essere contemporaneamente 0 e 1. Questa capacità deriva dalle proprietà quantistiche di particelle subatomiche come elettroni o fotoni, che possono trovarsi in più stati simultaneamente grazie alla sovrapposizione quantistica.

Sovrapposizione e intreccio quantistico

Per comprendere l’informatica quantistica (o quantum computing), è importante familiarizzare con due concetti fondamentali che definiscono la potenza e le capacità dei computer quantistici: la sovrapposizione e l’intreccio quantistico. Questi fenomeni, intrinsecamente legati alla meccanica quantistica, rappresentano il cuore del funzionamento dei qubit.

La sovrapposizione è un principio della meccanica quantistica che consente a un sistema quantistico di esistere simultaneamente in più stati. Nel contesto dell’informatica quantistica, un qubit può essere in uno stato di 0, in uno stato di 1, o in una sovrapposizione di entrambi. Questo è in netto contrasto con i bit classici, che possono essere solo in uno stato alla volta, 0 o 1.

qubit, Cos’è un qubit ?Immaginiamo una moneta classica: può trovarsi solo in uno stato alla volta, testa o croce. Un qubit, invece, è più simile a una moneta in rotazione, che rappresenta una combinazione di entrambi gli stati finché non viene osservata. Matematicamente, un qubit in sovrapposizione può essere descritto come una combinazione lineare di due stati base, con coefficienti che rappresentano le ampiezze di probabilità. Questo significa che fino a quando non viene misurato, un qubit può rappresentare sia 0 che 1 con certe probabilità associate.

 

Questa capacità di esistere in più stati contemporaneamente permette ai computer quantistici di elaborare un’enorme quantità di informazioni simultaneamente. In un sistema con n qubit, la sovrapposizione consente di rappresentare 2^n stati diversi contemporaneamente, un’esponenziale crescita delle possibilità di calcolo rispetto ai computer classici.

L’intreccio quantistico, o entanglement, è un altro fenomeno che non ha equivalenti nella fisica classica. Quando due o più qubit diventano intrecciati, i loro stati diventano interdipendenti in un modo tale che il cambiamento dello stato di un qubit influisce istantaneamente sullo stato dell’altro, indipendentemente dalla distanza che li separa. Questo collegamento istantaneo è stato descritto da Albert Einstein come “azione spettrale a distanza” e rappresenta uno degli aspetti più misteriosi e potenti della meccanica quantistica.

Per esempio, consideriamo due qubit, A e B, che sono intrecciati. Se il qubit A viene misurato e si trova in uno stato di 0, quello B si troverà immediatamente in uno stato di 1, e viceversa. Questa correlazione istantanea persiste anche se i qubit sono separati da grandi distanze. L’intreccio è sfruttato nei calcoli quantistici per creare collegamenti tra qubit che possono migliorare notevolmente l’efficienza dei calcoli e consentire nuove forme di comunicazione sicura, come la crittografia quantistica.

qubit, Cos’è un qubit ?

La combinazione di sovrapposizione e intreccio rende i qubit estremamente potenti. Questi fenomeni consentono l’esecuzione di algoritmi quantistici che risolvono problemi complessi molto più rapidamente rispetto ai loro omologhi classici. Un esempio notevole è l’algoritmo di Shor, che può fattorizzare grandi numeri in modo esponenzialmente più veloce di qualsiasi algoritmo classico conosciuto, minacciando i moderni sistemi di crittografia.

Inoltre, l’intreccio quantistico ha applicazioni in tecnologie emergenti come la comunicazione quantistica. I sistemi di distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) utilizzano l’intreccio per garantire che qualsiasi tentativo di intercettazione delle chiavi crittografiche sia immediatamente rilevato, offrendo un livello di sicurezza che non può essere raggiunto con i metodi tradizionali.

Le tecnologie per l’implementazione: qubit a superconduttore, ionici, fotonici, a punto quantico

La realizzazione pratica dei qubit avviene attraverso varie tecnologie ognuna delle quali presenta vantaggi e svantaggi specifici in termini di stabilità, coerenza e scalabilità.

I qubit a superconduttore sono tra i più promettenti e avanzati. Utilizzano circuiti superconduttivi, che sono materiali che conducono elettricità senza resistenza a temperature estremamente basse. I circuiti superconduttivi possono creare stati quantistici mediante l’uso di dispositivi chiamati giunzioni Josephson.

I principali vantaggi dei qubit a superconduttore includono la possibilità di essere fabbricati utilizzando tecnologie simili a quelle dei semiconduttori classici, permettendo una potenziale integrazione con l’elettronica esistente. Inoltre, i qubit a superconduttore hanno dimostrato tempi di coerenza relativamente lunghi e operazioni di gate veloci.

Le sfide principali riguardano la necessità di mantenere temperature prossime allo zero assoluto, che richiedono costosi e complessi sistemi di refrigerazione a diluizione. Inoltre, la de-coerenza, ossia la perdita di stato quantistico a causa di interazioni con l’ambiente, rimane una problematica significativa.

I qubit ionici o qubit a trappola ionica, utilizzano ioni intrappolati in campi elettromagnetici. Questi ioni sono manipolati mediante laser per creare e controllare stati quantistici. Un esempio noto è l’uso di ioni di calcio o di itterbio in trappole Paul, che confinano gli ioni in spazi molto piccoli.

I vantaggi dei qubit ionici includono tempi di coerenza molto lunghi e un’alta fedeltà nelle operazioni di gate. Inoltre, le interazioni tra ioni possono essere controllate con grande precisione, facilitando l’implementazione di circuiti quantistici complessi.

Le principali sfide dei qubit ionici riguardano la scalabilità. Mentre è relativamente semplice gestire e manipolare piccoli gruppi di ioni, estendere questa tecnologia a sistemi con migliaia o milioni di qubit richiede sviluppi tecnologici significativi, soprattutto nella costruzione di trappole più complesse e nel miglioramento dei metodi di raffreddamento e manipolazione.

I qubit fotonici utilizzano fotoni, le particelle elementari della luce, per trasportare e manipolare informazioni quantistiche. I fotoni sono intrinsecamente resistenti alla de-coerenza, il che li rende ideali per la comunicazione quantistica e per alcune forme di calcolo quantistico.

Uno dei principali vantaggi dei qubit fotonici è la loro capacità di trasmettere informazioni su lunghe distanze senza perdita significativa di coerenza, rendendoli ideali per reti quantistiche. Inoltre, la tecnologia fotonica può essere integrata con le attuali tecnologie di telecomunicazione, facilitando la realizzazione di reti quantistiche globali.

Le sfide principali includono la difficoltà di creare interazioni forti tra fotoni, necessarie per implementare operazioni di “gate” quantistiche. Le tecnologie per la manipolazione di singoli fotoni, come i circuiti ottici integrati e i rivelatori di fotoni singoli, sono ancora in fase di sviluppo e richiedono ulteriore perfezionamento per diventare pratiche e scalabili.

I qubit a punto quantico utilizzano piccole strutture semiconduttive, chiamate punti quantici, che confinano elettroni in tutte e tre le dimensioni spaziali, creando stati quantistici discreti. Questi qubit sono manipolati mediante campi elettrici e magnetici.

I vantaggi dei qubit a punto quantico includono la possibilità di essere fabbricati utilizzando tecniche standard di litografia, simili a quelle utilizzate per i chip di silicio. Inoltre, i punti quantici possono essere integrati con altri componenti elettronici, facilitando lo sviluppo di processori quantistici su larga scala.

Le sfide principali riguardano la coerenza. I qubit a punto quantico sono suscettibili a vari tipi di rumore ambientale, che possono causare de-coerenza. Migliorare la coerenza richiede l’uso di materiali avanzati e tecniche di isolamento estremamente precise.

I nodi ancora da sciogliere

L’informatica quantistica, e quindi i qubit, promettono di rivoluzionare diversi settori. In ambito della crittografia, i computer quantistici potrebbero rompere i codici crittografici attuali, mentre in chimica e biologia potrebbero simulare complessi sistemi molecolari che i computer classici non riescono a gestire. Anche la finanza e la logistica potrebbero beneficiare di algoritmi quantistici per ottimizzare portafogli di investimento o percorsi di consegna.

Nonostante il potenziale rivoluzionario, esistono ancora molte sfide tecniche nella gestione e nel mantenimento della sovrapposizione e dell’intreccio. I qubit sono estremamente sensibili alle interferenze esterne e la coerenza quantistica, cioè la capacità di mantenere il suo stato sovrapposto, è fragile e facilmente disturbata. Pertanto, oggi mantenere lo stato quantistico di un qubit stabile richiede ambienti estremamente controllati e tecnologie avanzate di isolamento. Inoltre, la correzione degli errori quantistici è un campo ancora in via di sviluppo, necessario per rendere i calcoli quantistici affidabili.

Tuttavia, la ricerca sta avanzando rapidamente. Le tecnologie per la correzione degli errori quantistici stanno migliorando e nuovi materiali e approcci stanno emergendo per migliorare la stabilità e la coerenza dei qubit. Con il continuo progresso è probabile che vedremo un numero crescente di applicazioni pratiche dei qubit in vari settori.

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