Nel 2019, Google ha affermato di essere stato il primo a dimostrare un computer quantistico che esegue un calcolo oltre le capacità dei supercomputer più potenti di oggi.

Ma la maggior parte delle volte, creare un algoritmo quantistico che abbia la possibilità di battere un computer classico è un processo accidentale, Dicono gli scienziati della Purdue University. Per fornire maggiori indicazioni a questo processo e renderlo meno arbitrario, questi scienziati hanno sviluppato una nuova teoria che potrebbe portare a una progettazione più sistematica di algoritmi quantistici.

La nuova teoria, descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Tecnologie quantistiche avanzate , è il primo tentativo noto di determinare quali stati quantistici possono essere creati ed elaborati con un numero accettabile di porte quantistiche per superare un algoritmo classico.

I fisici si riferiscono a questo concetto di avere il giusto numero di porte per controllare ogni stato come "complessità". Poiché la complessità di un algoritmo quantistico è strettamente correlata alla complessità degli stati quantistici coinvolti nell'algoritmo, la teoria potrebbe quindi mettere ordine nella ricerca di algoritmi quantistici caratterizzando quali stati quantistici soddisfano quei criteri di complessità.

Un algoritmo è una sequenza di passaggi per eseguire un calcolo. L'algoritmo è solitamente implementato su un circuito.

Nei computer classici, i circuiti hanno porte che commutano i bit allo stato 0 o 1. Un computer quantistico invece si basa su unità computazionali chiamate "qubit" che memorizzano 0 e 1 stati contemporaneamente in sovrapposizione, consentendo di elaborare più informazioni.

Ciò che renderebbe un computer quantistico più veloce di un computer classico è l'elaborazione delle informazioni più semplice, caratterizzato dall'enorme riduzione del numero di porte quantistiche in un circuito quantistico rispetto a un circuito classico.

Nei computer classici il numero di porte nei circuiti aumenta esponenzialmente rispetto alla dimensione del problema di interesse. Questo modello esponenziale cresce così sorprendentemente velocemente che diventa fisicamente impossibile da gestire anche per un problema di interesse di dimensioni moderate.

"Per esempio, anche una piccola molecola proteica può contenere centinaia di elettroni. Se ogni elettrone può assumere solo due forme, quindi simulare 300 elettroni richiederebbe 2300 stati classici, che è più del numero di tutti gli atomi dell'universo, " ha detto Saber Kais, un professore nel Dipartimento di Chimica di Purdue e membro del Purdue Quantum Science and Engineering Institute.

Per i computer quantistici, c'è un modo per le porte quantistiche di scalare "polinomialmente" - piuttosto che solo in modo esponenziale come un computer classico - con la dimensione del problema (come il numero di elettroni nell'ultimo esempio). "Polinomio" significa che ci sarebbero drasticamente meno passaggi (porte) necessari per elaborare la stessa quantità di informazioni, rendere un algoritmo quantistico superiore a un algoritmo classico.

I ricercatori finora non hanno avuto un buon modo per identificare quali stati quantistici potrebbero soddisfare questa condizione di complessità polinomiale.

"C'è uno spazio di ricerca molto ampio per trovare gli stati e la sequenza di porte che corrispondono in complessità per creare un algoritmo quantistico utile in grado di eseguire calcoli più velocemente di un algoritmo classico, " disse Kais, il cui gruppo di ricerca sta sviluppando algoritmi quantistici e metodi di apprendimento automatico quantistico.

Kais e Zixuan Hu, un associato postdottorato alla Purdue, ha utilizzato la nuova teoria per identificare un ampio gruppo di stati quantistici con complessità polinomiale. Hanno anche dimostrato che questi stati possono condividere una caratteristica del coefficiente che potrebbe essere utilizzata per identificarli meglio durante la progettazione di un algoritmo quantistico.

"Dato qualsiasi stato quantico, siamo ora in grado di progettare una procedura di campionamento dei coefficienti efficiente per determinare se appartiene o meno alla classe, "Ha detto Hu.