Per molti anni, i computer quantistici non erano molto più di un'idea. Oggi, aziende, i governi e le agenzie di intelligence stanno investendo nello sviluppo della tecnologia quantistica. Robert Konig, professore di teoria dei sistemi quantistici complessi alla TUM, in collaborazione con David Gosset dell'Institute for Quantum Computing dell'Università di Waterloo e Sergey Bravyi dell'IBM, ha ora posto una pietra miliare in questo promettente campo.

I computer convenzionali obbediscono alle leggi della fisica classica. Si basano sui numeri binari zero e uno. Questi numeri vengono memorizzati e utilizzati per operazioni matematiche. Nelle unità di memoria convenzionali, ogni bit, la più piccola unità di informazione, è rappresentato da una carica che determina se il bit è impostato su uno o zero.

In un computer quantistico, però, un bit può essere contemporaneamente zero e uno. Questo perché le leggi della fisica quantistica consentono agli elettroni di occupare più stati contemporaneamente. bit quantici, o qubit, quindi esistono in più stati sovrapposti. Questa cosiddetta sovrapposizione consente ai computer quantistici di eseguire operazioni su molti valori in un colpo solo, mentre un singolo computer convenzionale deve eseguire queste operazioni in sequenza. La promessa dell'informatica quantistica risiede nella capacità di risolvere determinati problemi significativamente più velocemente.

Dalla congettura alla dimostrazione

König e i suoi colleghi hanno ora dimostrato in modo definitivo il vantaggio dei computer quantistici. A tal fine, hanno sviluppato un circuito quantistico in grado di risolvere uno specifico problema algebrico difficile. Il nuovo circuito ha una struttura semplice:esegue solo un numero fisso di operazioni su ciascun qubit. Tale circuito è indicato come avente una profondità costante. Nel loro lavoro, i ricercatori dimostrano che il problema in questione non può essere risolto utilizzando i classici circuiti a profondità costante. Rispondono inoltre alla domanda sul perché l'algoritmo quantistico batte qualsiasi circuito classico comparabile:l'algoritmo quantistico sfrutta la non località della fisica quantistica.

Prima di questo lavoro, il vantaggio dei computer quantistici non era stato né dimostrato né dimostrato sperimentalmente, nonostante le prove puntassero in questa direzione. Un esempio è l'algoritmo quantistico di Shor, che risolve efficacemente il problema della scomposizione in fattori primi. Però, è semplicemente una congettura della teoria della complessità che questo problema non possa essere risolto in modo efficiente senza i computer quantistici. È anche concepibile che l'approccio giusto non sia stato ancora trovato per i computer classici.

Robert König considera i nuovi risultati principalmente come un contributo alla teoria della complessità. "Il nostro risultato mostra che l'elaborazione delle informazioni quantistiche offre davvero vantaggi, senza dover fare affidamento su congetture teoriche della complessità non dimostrate, " dice. Al di là di questo, il lavoro fornisce nuove pietre miliari sulla strada dei computer quantistici. Per la sua struttura semplice, il nuovo circuito quantistico è un candidato per una realizzazione sperimentale a breve termine di algoritmi quantistici.