I computer quantistici sono dei computer che utilizzano le proprietà quantistiche, in particolare il principio di sovrapposizione e l’entanglement per svolgere operazioni sui dati. Il motivo di interesse nell’argomento è che questi computer potrebbero risolvere molto rapidamente operazioni che richiederebbero tempi maggiori se fossero eseguite da computer classici.

Prima di immergersi nell’argomento, è necessario introdurre qualche nozione. Un sistema quantistico è un sistema che non può essere descritto con le leggi della meccanica classica, ma con quelle della meccanica quantistica. Una particella elementare è un esempio di sistema quantistico. Il principio di sovrapposizione è il primo postulato della meccanica quantistica il quale afferma che due o più stati logici di un sistema quantistico possono essere sommati linearmente per crearne un numero infinito di intermedi. Invece, l’entanglement è un fenomeno in cui due sistemi quantistici sono in correlazione e condividono uno stato, simultaneamente e indipendentemente dalla distanza.

Addentrandoci nell’argomento, la principale differenza che questi computer hanno con i computer classici è l’unità di informazione, che per i calcolatori classici si basa sui bit, mentre per i computer quantistici sui qubit. Mentre il bit classico ammette solamente due stati logici, 0 e 1, il qubit, dal momento che è un sistema quantistico, può assumere una combinazione di entrambi grazie al principio di sovrapposizione. In questo stato, il qubit non ha un valore certo ma, quando viene misurato, c’è una probabilità che appaia in uno stato piuttosto che nell’altro. Chiameremo |0⟩ lo stato logico 0, |1⟩ lo stato logico 1 e |ψ⟩ (lettera greca psi) la funzione d’onda che descrive probabilisticamente lo stato del qubit. È possibile descrivere lo stato del qubit mediante la formula:
|ψ⟩ = α⋅|0⟩ + β ⋅|1⟩
Qui, i coefficienti α e β sono numeri complessi che determinano la probabilità di riscontrare lo stato |0⟩ piuttosto che lo stato |1⟩ quando si esegue una misura su |ψ⟩. I valori possibili di un qubit possono essere rappresentati graficamente sulla superficie della sfera di Poincarè (nell’immagine).

I computer quantistici, prima di essere inventati, hanno subito una lunga analisi teorica dai più grandi scienziati del XX secolo. Saltando personaggi quali Einstein, Schrödinger e Heisenberg, nel 1980 Paul Benioff pubblicò la macchina Turing, un modello astratto che, teoricamente, dovrebbe essere in grado di formulare qualsiasi algoritmo quantistico, la quale mostrò che un computer quantistico poteva esistere. L’anno dopo, Richard Feynman dimostrò l’inefficienza delle simulazioni di sistemi quantistici quando eseguite da computer classici e propose un modello esemplare di computer quantistico. In particolare, quest’ultimi si incontrarono nel 1981 alla prima conferenza della fisica della computazione, tenuta nel dipartimento di Fisica del Massachusetts Institute of Technology (MIT), dove esposero i propri lavori al pubblico. In seguito, iniziarono molteplici iniziative per la progettazione fisica di questi computer. Il primo computer quantistico realizzato e funzionante fu realizzato nel 1998 da Michele Mosca e Jonathan A. Jones nell’Università di Oxford. Quest’ultimo conteneva due qubit, il che lo rendeva inutile alla risoluzione di problemi, ma fu il primo passo che provò la fattibilità della tecnologia. Negli anni, molte aziende si interessarono all’argomento e crearono il proprio computer quantistico in una corsa alla supremazia quantistica che continua ancora oggi. Le aziende leader della quantistica sono oggigiorno Google, IBM, IonQ e Microsoft, i cui computer quantistici arrivano a 500 qubit, ed è previsto che il numero raddoppierà nel 2024.

Adesso riporterò le 3 principali tecnologie in uso e sviluppo tutt’oggi per la computazione quantistica:
- Il computer quantistico superconduttore è la tecnologia più comune ad oggi che sfrutta circuiti di superconduttori come qubit. Quest’ultimi operano su scala macroscopica, perfino visibili ad occhio nudo, ma conservano le proprietà quantistiche. Gli stati logici possono essere stato fondamentale, cioè con il minimo di energia possibile, e stato eccitato, ovvero con maggiore energia.
- Il computer quantistico a ioni intrappolati fu una delle prime tecnologie ad essere sviluppata. In questi computer, i qubit sono degli ioni o atomi carichi elettricamente che vengono sospesi nello spazio libero tramite campi elettromagnetici. Lo stato logico di questi è dato dallo stato elettrico dello ione, il quale può essere manipolato tramite dei fasci concentrati di fotoni, anche chiamati laser.
- Il computer quantistico fotonico in cui, invece di sfruttare la materia, vengono usati fotoni. Tuttavia, questa tecnologia è complicata e ancora in via di sviluppo, ma promette una maggiore stabilità dei qubit e una maggiore tolleranza degli errori una volta ultimata.

I campi di applicazione di questi calcolatori sono estremamente specifici, come lo sono le operazioni che riescono ad eseguire rapidamente. Come soprascritto in precedenza, i computer quantistici sono molto abili nel simulare sistemi quantistici e interazioni tra atomi e molecole, e questa proprietà potrebbe essere sfruttata dalle aziende chimiche e farmaceutiche per la scoperta e creazione di nuove molecole e quindi nuovi medicinali. Inoltre, questa abilità potrà essere utile alla ricerca di nuovi materiali per la creazione di batterie (soprattutto di auto elettriche) più leggere e con capacità maggiore. In aggiunta, si potrebbero avere applicazioni in finanza e in determinati processi delle intelligenze artificiali, in particolare nel machine learning. Purtroppo, i computer quantistici attuali non sono sufficientemente potenti per svolgere operazioni vantaggiose. Non rimpiazzeranno i computer classici, ma torneranno molto utili.