Cos'è un qubit?

Proposto per la prima volta negli anni '80, lo sviluppo dei computer quantistici ha fatto molta strada dalla teoria pura alle applicazioni hardware pratiche. Oggi, IBM Quantum mette a disposizione di centinaia di migliaia di sviluppatori un vero e proprio hardware quantistico, uno strumento che gli scienziati hanno iniziato a immaginare solo trent'anni fa.  

Quando scienziati e ingegneri si trovano a dover affrontare problemi complessi, si rivolgono ai supercomputer. Tuttavia, anche i supercomputer sono macchine a codice binario che si basano sulla tecnologia dei transistor del XX secolo e faticano a risolvere problemi altamente complessi. Questi computer classici sono inoltre soggetti a limitazioni di carattere materiale, come il surriscaldamento, che pone forti limiti alla loro capacità di elaborare le informazioni. Ci sono alcuni problemi complessi, come la modellazione dei singoli atomi in una molecola, che non è possibile risolvere con i computer classici su qualsiasi scala.

Le leggi della meccanica quantistica dettano l'ordine del mondo naturale. I computer che eseguono calcoli basati sugli stati quantici dei bit quantistici dovrebbero essere, in molte situazioni, i nostri migliori strumenti di comprensione e di risoluzione dei problemi più complessi. 

Quando si studiano i computer quantistici, è importante capire che la meccanica quantistica non è come la fisica tradizionale. Descrivere il comportamento delle particelle quantistiche presenta una sfida unica, in quanto la maggior parte dei paradigmi comuni per il mondo naturale manca di un vocabolario per spiegare i comportamenti apparentemente controintuitivi delle particelle quantistiche. 

Un bit classico può esistere solo in posizione 0 o in posizione 1. I qubit, invece, possono occupare anche un terzo stato, noto come sovrapposizione. Una sovrapposizione rappresenta 0, 1 e tutte le posizioni intermedie contemporaneamente, per un totale di tre posizioni separate.

Sebbene i qubit possano codificare tre posizioni distinte, vengono comunque utilizzati per trasmettere informazioni attraverso un sistema binario. In questi sistemi, il termine bit può riferirsi sia al materiale o al processo utilizzato per rappresentare uno 0 o un 1, sia alla misura di quel bit (cioè uno 0 o un 1). 

Nell'informatica tradizionale o classica, un singolo bit può essere pensato come un'informazione binaria, indicata come 0 o 1. I computer moderni in genere rappresentano i bit come una tensione elettrica o un impulso di corrente (o come lo stato elettrico di un circuito flip-flop).

In questi sistemi, quando non c'è corrente, il circuito può essere considerato spento, e questo stato è rappresentato come uno 0. Quando c'è corrente, il circuito è considerato acceso, e questo stato è rappresentato come un 1.

Il termine "bit" è una parola che deriva da "binary digit" e i bit binari sono la base fondamentale di tutta l'informatica. Sia che si tratti di registrare un video digitale, di animare un modello 3D o di utilizzare un'applicazione per il calcolo, tutti i dati, dai sistemi operativi ai software, sono costituiti da un codice binario, ovvero da un insieme di bit. Un byte informatico è composto da otto bit, il numero minimo di bit necessario per trasmettere un singolo carattere testuale in binario. 

I bit possono essere rappresentati elettricamente, ad esempio facendo passare (o non facendo passare) corrente attraverso un chip di silicio. I bit possono anche essere rappresentati fisicamente, come un foro o l'assenza di un foro in un foglio di carta, come nelle vecchie schede perforate. Qualsiasi sistema a due livelli in cui lo stato del sistema può essere descritto solo tramite una delle due posizioni potenziali (ad esempio, su o giù, sinistra o destra, acceso o spento) può essere utilizzato per rappresentare un bit. 

Sebbene le tecnologie quantistiche utilizzino effettivamente il codice binario, i dati quantistici derivati da un sistema quantistico, come un qubit, codificano i dati in modo diverso dai bit tradizionali, con alcuni notevoli vantaggi. I ricercatori hanno stabilito diversi modi per creare qubit o utilizzare sistemi quantistici presenti in natura come qubit. Tuttavia, in quasi tutti i casi, i computer quantistici richiedono una refrigerazione estrema per isolare i qubit e prevenire le interferenze. 

Teoricamente, qualsiasi sistema quantistico a due livelli può essere utilizzato per creare un qubit. Un sistema quantistico è descritto come a due livelli quando alcune proprietà del sistema possono essere misurate in posizioni binarie, come su o giù. Anche i sistemi quantistici multilivello possono essere utilizzati per creare qubit, a condizione che due aspetti del sistema possano essere isolati efficacemente per produrre una misura binaria. Così come i computer tradizionali possono utilizzare più tipi di bit, come la corrente elettrica, la carica elettrica o i fori (o non fori) in un foglio di carta per il calcolo con schede perforate, i computer quantistici possono utilizzare più tipi di bit. Alcuni bit sono più adatti a determinate funzioni, e un computer quantistico avanzato utilizzerà probabilmente una combinazione di tipi di bit per ottenere operazioni diverse.

Poiché ogni bit può rappresentare uno 0 o un 1, accoppiando due bit di informazione, possiamo creare fino a quattro combinazioni binarie uniche:

1. 00
2. 01
3. 10
4. 11

Mentre ogni bit può essere uno 0 o un 1, un singolo qubit può essere uno 0, un 1 o una sovrapposizione. Una sovrapposizione quantistica può essere descritta sia come 0 che come 1, o come tutti i possibili stati compresi tra 0 e 1, perché rappresenta effettivamente la probabilità dello stato del qubit. 

A livello quantistico, la probabilità dei qubit viene misurata come funzione d'onda. L'ampiezza di probabilità di un qubit può essere utilizzata per codificare più di un bit di dati ed eseguire calcoli estremamente complessi se combinato con altri qubit.

Quando si elabora un problema complesso, come la fattorizzazione di un numero primo molto grande, i bit tradizionali sono vincolati quando si tratta di grandi quantità di informazioni. I bit quantistici si comportano diversamente. Poiché i qubit possono contenere una sovrapposizione, un computer quantistico che utilizza i qubit può calcolare un volume di dati molto più grande. 

Per comprendere la differenza tra i bit e i qubit, immagina di trovarti al centro di un labirinto intricato. Per uscire dal labirinto, un computer tradizionale dovrebbe risolvere il problema mediante una "forzatura", provando ogni possibile combinazione di percorsi per trovare l'uscita. Questo tipo di computer utilizzerebbe i bit per esplorare nuovi percorsi e ricordare quali sono i vicoli ciechi.

Al contrario, un computer quantistico potrebbe, in senso figurato, ricavare in una sola volta una vista d'insieme del labirinto, testando più percorsi simultaneamente e rivelando la soluzione corretta. In realtà, i qubit non "testano più percorsi" contemporaneamente. I computer quantistici misurano invece le ampiezze di probabilità dei qubit per determinare un risultato. Poiché queste ampiezze funzionano come onde, si sovrappongono e interferiscono tra loro. Quando le onde asincrone si sovrappongono, eliminano di fatto le possibili soluzioni a problemi complessi e l'onda o le onde coerenti realizzate presentano la soluzione. 

Quando due qubit sono entangled, entrambi esistono in una sovrapposizione fino a quando uno dei due non viene misurato. Una volta osservato uno di essi, la sovrapposizione quantistica di entrambi i qubit viene compressa e il qubit non osservato assume la posizione opposta rispetto a quello osservato.

Ad esempio, se una metà di una coppia di qubit entangled viene misurata nella posizione 1, l'altro qubit può essere immediatamente misurato come 0. Le implicazioni dell'entanglement quantistico sono tanto vaste quanto limitata è la nostra comprensione del fenomeno. In ogni caso, è sufficiente dire che l'entanglement non si applica ai bit tradizionali. I qubit entangled potrebbero essere potenzialmente in grado di trasferire informazioni anche ad anni luce di distanza, a una velocità superiore a quella della luce. Sebbene i qubit non trasferiscano effettivamente i dati più velocemente della luce, l'entanglement quantistico può aumentare notevolmente la potenza dei circuiti quantistici. 

Si dice che le particelle quantistiche abbiano coerenza quando sono sufficientemente controllate per funzionare come qubit. Quando un qubit perde questa capacità, viene definito decoerente. La refrigerazione ad alta potenza necessaria per creare uno stato di coerenza per i qubit funzionali rappresenta una sfida importante per il quantum computing. 

Anche alle temperature più basse, i sistemi di qubit sono generalmente soggetti a malfunzionamenti causati dalla decoerenza. Fortunatamente, i progressi nel campo emergente della correzione algoritmica degli errori quantistici hanno il potenziale per stabilizzare sistemi quantistici precedentemente deboli.