Quanto velocemente sarà in grado di calcolare un computer quantistico? Mentre le versioni completamente funzionali di queste meraviglie tecnologiche a lungo ricercate devono ancora essere costruite, un teorico del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha dimostrato che, se possono essere realizzati, potrebbero esserci meno limiti alla loro velocità rispetto a quelli previsti in precedenza.

I risultati, descritti come un "esperimento mentale" da Stephen Jordan del NIST, riguardano un aspetto diverso della velocità di calcolo quantistico rispetto a un altro gruppo di ricercatori del NIST esplorato circa due anni fa. Mentre i risultati precedenti riguardavano la velocità con cui le informazioni possono viaggiare tra due interruttori nel processore di un computer, Il nuovo documento di Jordan si occupa della velocità con cui questi interruttori possono passare da uno stato all'altro.

La velocità di capovolgimento è equivalente alla "velocità di clock" dei processori convenzionali. Per fare calcoli, il processore invia istruzioni matematiche note come operazioni logiche che modificano le configurazioni degli interruttori. Le attuali CPU hanno velocità di clock misurate in gigahertz, il che significa che sono in grado di eseguire alcuni miliardi di operazioni logiche elementari al secondo.

Poiché sfruttano la potenza della meccanica quantistica per eseguire i loro calcoli, i computer quantistici avranno necessariamente architetture molto diverse rispetto alle macchine odierne. I loro interruttori, chiamati bit quantistici o "qubit, " sarà in grado di rappresentare più di un semplice 1 o 0, come fanno i processori convenzionali; saranno in grado di rappresentare più valori contemporaneamente, dando loro poteri che i computer convenzionali non possiedono.

L'articolo di Jordan contesta le conclusioni di vecchia data su ciò che gli stati quantistici implicano sulla velocità dell'orologio. Secondo la meccanica quantistica, la velocità con cui uno stato quantistico può cambiare, e quindi la velocità con cui un qubit può capovolgersi, è limitata dalla quantità di energia che ha. Mentre Jordan ritiene che questi risultati siano validi, diversi articoli successivi nel corso degli anni hanno sostenuto che implicano anche un limite alla velocità di calcolo generale di un computer quantistico.

"A prima vista questo sembra abbastanza plausibile, " disse Jordan. "Se stai eseguendo più operazioni logiche, ha senso che i tuoi interruttori debbano subire più modifiche. Sia nei progetti di calcolo convenzionali che in quelli quantistici, ogni volta che si verifica un'operazione logica"—facendo girare i suoi interruttori—"il computer passa a un nuovo stato".

Usando la matematica dei sistemi quantistici, Jordan mostra che è possibile progettare un computer quantistico che non ha questa limitazione. Infatti, con il design giusto, Egli ha detto, il computer "potrebbe eseguire un numero arbitrariamente elevato di operazioni logiche mentre si limita a saltare attraverso un numero costante di stati distinti".

Controintuitivamente, in un tale computer quantistico, il numero di operazioni logiche eseguite al secondo potrebbe essere enormemente maggiore della velocità con cui qualsiasi qubit può essere capovolto. Ciò consentirebbe ai computer quantistici che adottano questo design di infrangere i limiti di velocità suggeriti in precedenza.

Quali vantaggi potrebbe concedere questa velocità di clock più elevata? Una delle principali applicazioni previste per i computer quantistici è la simulazione di altri sistemi fisici. Si pensava che il limite di velocità teorico sulla velocità di clock ponesse un limite superiore alla difficoltà di questo compito. Qualsiasi sistema fisico, l'argomento è andato, potrebbe essere pensato come una sorta di computer, uno con una velocità di clock limitata dall'energia del sistema. Il numero di cicli di clock necessari per simulare il sistema su un computer quantistico dovrebbe essere paragonabile al numero di cicli di clock eseguiti dal sistema originale.

Però, queste scappatoie scoperte di recente al limite di velocità computazionale sono una "spada a doppio taglio". Se l'energia non limita la velocità di un computer quantistico, quindi i computer quantistici potrebbero simulare sistemi fisici di maggiore complessità di quanto si pensasse in precedenza. Ma l'energia non limita nemmeno la complessità computazionale dei sistemi naturali, e questo potrebbe renderli più difficili da simulare su computer quantistici.

Jordan ha affermato che le sue scoperte non implicano che non ci siano limiti alla velocità con cui un computer quantistico potrebbe concepibilmente calcolare, ma che questi limiti derivano da altri aspetti della fisica oltre alla semplice disponibilità di energia.

"Per esempio, se si prendono in considerazione i vincoli geometrici, come quanto densamente puoi impacchettare le informazioni, e un limite alla velocità di trasmissione delle informazioni (vale a dire, la velocità della luce), allora penso che tu possa fare argomentazioni più solide, " ha detto. "Questo ti dirà dove si trovano i veri limiti alla velocità di calcolo."