All'inizio di luglio, Google ha annunciato che amplierà i suoi servizi di cloud computing disponibili in commercio per includere il calcolo quantistico. Un servizio simile è disponibile da IBM da maggio. Questi non sono servizi che la maggior parte delle persone normali avrà ancora molte ragioni per usare. Ma rendere i computer quantistici più accessibili aiuterà il governo, gruppi di ricerca accademici e aziendali di tutto il mondo continuano i loro studi sulle capacità dell'informatica quantistica.

Capire come funzionano questi sistemi richiede l'esplorazione di un'area della fisica diversa da quella con cui la maggior parte delle persone ha familiarità. Dall'esperienza quotidiana conosciamo quella che i fisici chiamano "meccanica classica, "che governa la maggior parte del mondo che possiamo vedere con i nostri occhi, come quello che succede quando un'auto colpisce un edificio, quale percorso prende una palla quando viene lanciata e perché è difficile trascinare un refrigeratore su una spiaggia sabbiosa.

Meccanica quantistica, però, descrive il regno subatomico – il comportamento dei protoni, elettroni e fotoni. Le leggi della meccanica quantistica sono molto diverse da quelle della meccanica classica e possono portare a risultati inaspettati e controintuitivi, come l'idea che un oggetto possa avere massa negativa.

Fisici di tutto il mondo – nel governo, gruppi di ricerca accademici e aziendali:continuare a esplorare le implementazioni nel mondo reale di tecnologie basate sulla meccanica quantistica. E gli informatici, incluso me, stanno cercando di capire come queste tecnologie possono essere utilizzate per far progredire l'informatica e la crittografia.

Una breve introduzione alla fisica quantistica

Nella nostra vita normale, siamo abituati a cose che esistono in uno stato ben definito:una lampadina è accesa o spenta, Per esempio. Ma nel mondo quantistico, gli oggetti possono esistere in una cosiddetta sovrapposizione di stati:un'ipotetica lampadina a livello atomico potrebbe essere contemporaneamente accesa e spenta. Questa strana caratteristica ha importanti ramificazioni per l'informatica.

La più piccola unità di informazione nella meccanica classica - e, perciò, computer classici – è il bit, che può contenere un valore di 0 o 1, ma mai entrambi contemporaneamente. Di conseguenza, ogni bit può contenere solo un'informazione. Tali bit, che possono essere rappresentati come impulsi elettrici, variazioni dei campi magnetici, o anche un interruttore fisico on-off, costituiscono la base per tutti i calcoli, archiviazione e comunicazione nei computer e nelle reti informatiche odierne.

I qubit – bit quantistici – sono l'equivalente quantistico dei bit classici. Una differenza fondamentale è che, per sovrapposizione, i qubit possono contenere contemporaneamente valori sia di 0 che di 1. Le realizzazioni fisiche dei qubit devono essere intrinsecamente su scala atomica:ad esempio, nello spin di un elettrone o nella polarizzazione di un fotone.

Calcolare con i qubit

Un'altra differenza è che i bit classici possono essere utilizzati indipendentemente l'uno dall'altro:capovolgere un bit in una posizione non ha effetto sui bit in altre posizioni. Qubit, però, possono essere impostati utilizzando una proprietà quantomeccanica chiamata entanglement in modo che siano dipendenti l'uno dall'altro, anche quando sono distanti. Ciò significa che le operazioni eseguite su un qubit da un computer quantistico possono influenzare più altri qubit contemporaneamente. Questa proprietà - simile a, ma non lo stesso di, elaborazione parallela:può rendere il calcolo quantistico molto più veloce rispetto ai sistemi classici.

Computer quantistici su larga scala, ovvero computer quantistici con centinaia di qubit – non esistono ancora, e sono difficili da costruire perché richiedono operazioni e misurazioni da eseguire su scala atomica. Il computer quantistico di IBM, Per esempio, attualmente ha 16 qubit, e Google promette un computer quantistico da 49 qubit – che sarebbe un sorprendente progresso – entro la fine dell'anno. (In contrasto, i laptop attualmente hanno più gigabyte di RAM, con un gigabyte pari a otto miliardi di bit classici.)

Uno strumento potente

Nonostante la difficoltà di costruire computer quantistici funzionanti, i teorici continuano ad esplorare il loro potenziale. Nel 1994, Peter Shor ha mostrato che i computer quantistici possono risolvere rapidamente i complicati problemi matematici che sono alla base di tutti i sistemi di crittografia a chiave pubblica comunemente usati, come quelli che forniscono connessioni sicure per i browser web. Un computer quantistico su larga scala comprometterebbe completamente la sicurezza di Internet come la conosciamo. I crittografi stanno esplorando attivamente nuovi approcci a chiave pubblica che sarebbero "resistenti ai quanti, "almeno per quanto ne sanno attualmente.

interessante, le leggi della meccanica quantistica possono essere utilizzate anche per progettare crittosistemi che siano, in un certo senso, più sicuro dei loro analoghi classici. Per esempio, La distribuzione delle chiavi quantistiche consente a due parti di condividere un segreto che nessun intercettatore può recuperare utilizzando computer classici o quantistici. Questi sistemi – e altri basati su computer quantistici – potrebbero diventare utili in futuro, ampiamente o in applicazioni più di nicchia. Ma una sfida fondamentale è farli lavorare nel mondo reale, e su grandi distanze.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.