L'informatica quantistica promette di sfruttare le strane proprietà della meccanica quantistica in macchine che supereranno anche i supercomputer più potenti di oggi. Ma la portata della loro applicazione, si scopre, non è del tutto chiaro.

Per realizzare appieno il potenziale dell'informatica quantistica, gli scienziati devono iniziare dalle basi:sviluppare procedure passo dopo passo, o algoritmi, per i computer quantistici per eseguire compiti semplici, come la fattorizzazione di un numero. Questi semplici algoritmi possono quindi essere utilizzati come elementi costitutivi per calcoli più complicati.

Prasanth Shyamsundar, un associato di ricerca post-dottorato presso il Fermilab Quantum Institute del Dipartimento di Energia, ha fatto proprio questo. In un documento prestampato pubblicato a febbraio, ha annunciato due nuovi algoritmi che si basano sul lavoro esistente nel campo per diversificare ulteriormente i tipi di problemi che i computer quantistici possono risolvere.

"Ci sono compiti specifici che possono essere eseguiti più velocemente utilizzando i computer quantistici, e mi interessa capire cosa sono, " ha detto Shyamsundar. "Questi nuovi algoritmi eseguono compiti generici, e spero che ispireranno le persone a progettare ancora più algoritmi intorno a loro".

Algoritmi quantistici di Shyamsudar, in particolare, sono utili durante la ricerca di una voce specifica in una raccolta di dati non ordinata. Considera un esempio di giocattolo:supponiamo di avere una pila di 100 dischi in vinile, e incarichiamo un computer di trovare l'unico album jazz nello stack.

Classicamente, un computer dovrebbe esaminare ogni singolo record e prendere una decisione positiva o negativa se si tratta dell'album che stiamo cercando, sulla base di un determinato insieme di criteri di ricerca.

"Hai una domanda, e il computer ti dà un output, Shyamsundar ha detto. "In questo caso, la domanda è:questo record soddisfa il mio insieme di criteri? E il risultato è sì o no".

Trovare il record in questione potrebbe richiedere solo poche query se è vicino alla parte superiore dello stack, o più vicino a 100 query se il record è vicino al fondo. In media, un computer classico individuerebbe il record corretto con 50 query, o metà del numero totale nello stack.

Un computer quantistico, d'altra parte, individuerebbe l'album jazz molto più velocemente. Questo perché ha la capacità di analizzare tutti i record contemporaneamente, utilizzando un effetto quantistico chiamato sovrapposizione.

Con questa proprietà, il numero di query necessarie per individuare l'album jazz è solo di circa 10, la radice quadrata del numero di record nello stack. Questo fenomeno è noto come accelerazione quantistica ed è il risultato del modo unico in cui i computer quantistici memorizzano le informazioni.

Il vantaggio quantico

I computer classici utilizzano unità di memoria chiamate bit per salvare e analizzare i dati. Ad un bit può essere assegnato uno dei due valori:0 o 1.

La versione quantistica di questo è chiamata qubit. Anche i qubit possono essere 0 o 1, ma a differenza delle loro controparti classiche, possono anche essere una combinazione di entrambi i valori contemporaneamente. Questo è noto come sovrapposizione, e consente ai computer quantistici di valutare più record, o Stati, contemporaneamente.

"Se un singolo qubit può essere in una sovrapposizione di 0 e 1, ciò significa che due qubit possono essere in una sovrapposizione di quattro possibili stati, " ha detto Shyamsudar. Il numero di stati accessibili cresce esponenzialmente con il numero di qubit utilizzati.

sembra potente, Giusto? È un enorme vantaggio quando si affrontano problemi che richiedono un'elevata potenza di calcolo. Il lato negativo, però, è che le sovrapposizioni sono di natura probabilistica, nel senso che non produrranno risultati definiti sui singoli stati stessi.

Pensalo come un lancio di una moneta. Quando in aria, lo stato della moneta è indeterminato; ha una probabilità del 50% di ottenere testa o croce. Solo quando la moneta raggiunge il suolo si assesta in un valore che può essere determinato con precisione.

Le sovrapposizioni quantistiche funzionano in modo simile. Sono una combinazione di singoli stati, ognuno con la propria probabilità di apparire quando misurato.

Ma il processo di misurazione non farà necessariamente crollare la sovrapposizione nel valore che stiamo cercando. Ciò dipende dalla probabilità associata allo stato corretto.

"Se creiamo una sovrapposizione di record e la misuriamo, non otterremo necessariamente la risposta giusta, " Disse Shyamsundar. "Ci darà solo uno dei record".

Per sfruttare appieno l'accelerazione fornita dai computer quantistici, poi, gli scienziati devono in qualche modo essere in grado di estrarre il record corretto che stanno cercando. Se non possono, il vantaggio rispetto ai computer classici è perso.

Amplificazione delle probabilità di stati corretti

Per fortuna, gli scienziati hanno sviluppato un algoritmo quasi 25 anni fa che eseguirà una serie di operazioni su una sovrapposizione per amplificare le probabilità di determinati stati individuali e sopprimerne altri, a seconda di un determinato insieme di criteri di ricerca. Ciò significa che quando arriva il momento di misurare, la sovrapposizione molto probabilmente collasserà nello stato che stanno cercando.

Ma il limite di questo algoritmo è che può essere applicato solo a situazioni booleane, o quelli che possono essere interrogati con un output sì o no, come cercare un album jazz in una pila di diversi dischi.

Gli scenari con output non booleani rappresentano una sfida. I generi musicali non sono definiti con precisione, quindi un approccio migliore al problema dei dischi jazz potrebbe essere chiedere al computer di valutare gli album in base a quanto sono "jazzy". Potrebbe sembrare come assegnare a ciascun record un punteggio su una scala da 1 a 10.

In precedenza, gli scienziati dovrebbero convertire problemi non booleani come questo in problemi con output booleani.

"Imposteresti una soglia e diresti che qualsiasi stato al di sotto di questa soglia è negativo, e qualsiasi stato al di sopra di questa soglia è buono, " ha detto Shyamsudar. Nel nostro esempio di disco jazz, sarebbe l'equivalente di dire che qualsiasi cosa classificata tra 1 e 5 non è jazz, mentre qualsiasi cosa tra 5 e 10 lo è.

Ma Shyamsudar ha esteso questo calcolo in modo tale che una conversione booleana non sia più necessaria. Egli chiama questa nuova tecnica l'algoritmo di amplificazione dell'ampiezza quantistica non booleana.

"Se un problema richiede una risposta sì o no, il nuovo algoritmo è identico al precedente, " Shyamsudar ha detto. "Ma questo ora diventa aperto a più compiti; ci sono molti problemi che possono essere risolti in modo più naturale in termini di un punteggio piuttosto che di un risultato sì o no."

Un secondo algoritmo introdotto nel documento, soprannominato l'algoritmo di stima della media quantistica, consente agli scienziati di stimare la valutazione media di tutti i record. In altre parole, può valutare quanto sia "jazzy" lo stack nel suo insieme.

Entrambi gli algoritmi eliminano la necessità di ridurre gli scenari in calcoli con solo due tipi di output, e invece consentire una gamma di output per caratterizzare in modo più accurato le informazioni con un'accelerazione quantistica rispetto ai metodi di calcolo classici.

Procedure come queste possono sembrare primitive e astratte, ma costruiscono una base essenziale per compiti più complessi e utili nel futuro quantistico. All'interno della fisica, gli algoritmi di nuova introduzione potrebbero eventualmente consentire agli scienziati di raggiungere più rapidamente le sensibilità target in determinati esperimenti. Shyamsudar sta anche pianificando di sfruttare questi algoritmi per l'uso nell'apprendimento automatico quantistico.

E al di fuori del regno della scienza? Le possibilità sono ancora da scoprire.

"Siamo ancora agli albori dell'informatica quantistica, "Shyamsundar ha detto, notando che la curiosità spesso guida l'innovazione. "Questi algoritmi avranno un impatto sul modo in cui utilizzeremo i computer quantistici in futuro".