Spiegazione del calcolo quantistico (come te di 5 anni)

Il concetto di "Quantum Computing" di recente diventato virale - grazie ad un certo Primo Ministro - è uno dei tanti territori inesplorati della scienza da noi non scientifici .

Il motivo per cui molti di noi non ne hanno ancora sentito parlare nonostante siano in giro da decenni, è che per la maggior parte è teorico e quelli che ci stavano sperimentando all'inizio erano molto silenziosi a causa del bisogno per il segreto militare e aziendale.

Ciononostante, ora sappiamo che esiste una combinazione di meccanica e calcolo quantistico e improvvisamente questo è nell'interesse di tutti. Se non sai cosa sia un computer quantico ma non vuoi essere escluso dal ciclo, continua a leggere per scoprire perché è meglio dei computer tradizionali con cui lavoriamo oggi.

Di computer e bit tradizionali

I computer sono per lo più digitali-elettronici e interagiranno con i dati rappresentati in cifre binarie noti come bit (0 e 1). Che si tratti di immagini, testo, audio o qualsiasi altro dato - è tutto memorizzato in bit.

Fisicamente, i numeri binari 0 e 1 possono essere rappresentati utilizzando qualsiasi entità a due stati come una moneta (testa e coda) o un interruttore (acceso o spento). Nei computer, i bit sono la presenza o l'assenza di tensione (1 o 0) o la modifica o la conservazione della direzione magnetica negli hard disk magnetici.

I dati vengono manipolati calcolando i bit memorizzati . Il calcolo è fatto da porte logiche che sono tipicamente costituite da transistor che controllano il passaggio del segnale elettronico. Se lascia passare il segnale, è il bit 1 e se il segnale è interrotto, è 0.

I limiti dei transistor

Con la dimensione del chip sempre più piccola e il numero crescente di componenti, i dispositivi elettronici possono arrivare con milioni di transistor che possono essere piccoli come 7 nm (che è 1000 volte più piccolo di un globulo rosso e solo 20 volte più grande di alcuni atomi).

Le dimensioni dei transistor possono continuare a ridursi, ma alla fine raggiungeranno un limite fisico in cui gli elettroni passeranno attraverso di loro e non ci sarà controllo sul flusso del segnale elettronico.

Per il bisogno sempre crescente di potenti calcoli e dispositivi più piccoli, un limite di dimensioni su un componente elettronico di base è un freno progressivo . Gli scienziati sono alla ricerca di nuovi modi che richiedono meno tempo e spazio per calcolare e archiviare i dati, e uno dei modi in cui possiamo utilizzare è il calcolo quantico.

Qubits, Superposition e Entanglement

Il calcolo quantistico utilizza qubit invece di bit per rappresentare i dati. I Qubit sono rappresentati usando particelle quantistiche come elettroni e fotoni .

Le particelle quantiche possiedono proprietà come spin e polarizzazione che possono essere utilizzate per rappresentare i dati. Ad esempio, un qubit che gira verso l'alto può essere 1 e 0 verso il basso.

Ma il potere dell'informatica quantistica deriva dal fatto che a differenza dei bit che sono o 1 o 0, i qubit possono essere 1 e 0 simultaneamente, a causa di una proprietà chiamata sovrapposizione, in cui le particelle quantistiche si trovano in più stati allo stesso tempo.

Ciò aumenta il potere di calcolo di qubit, poiché può essere usato sia per 1 che per 0 durante il calcolo e alla fine, una volta misurato, diventa 1 o 0.

La proprietà di sovrapposizione può essere facilmente spiegata da un famoso esperimento mentale fatto su un gatto immaginario da Schrödinger, un fisico austriaco.

Nel mondo quantistico, c'è anche un'altra proprietà che può essere sfruttata nel calcolo dell'entanglement quantistico . In pratica si riferisce alle proprietà delle particelle quantiche che si impigliano e diventano dipendenti l'una dall'altra e quindi non possono essere modificate separatamente.

Si comportano come un unico sistema con uno stato complessivo.

Diciamo che 2 qubit subiscono entanglement, se uno stato del qubit viene modificato, anche l'altro cambierà. Ciò porta a un'elaborazione o elaborazione parallela reale che può ridurre significativamente il tempo di elaborazione rispetto ai computer tradizionali.

Difficoltà e usi

Ci sono molti ostacoli pratici che gli scienziati e gli ingegneri devono superare, come creare un ambiente controllato per i qubit e trovare modi per manipolare le loro proprietà, per produrre un risultato desiderato.

Ma una volta che i computer quantistici ad alta potenza computazionale sono stati finalmente creati, possono essere utilizzati per risolvere problemi che altrimenti richiederebbero molto tempo per essere completati dai computer tradizionali.

Trovare i fattori primi di grandi numeri, il problema del venditore ambulante per un gran numero di città e altri problemi simili richiedono un numero esponenziale di confronti per ottenere risultati . Inoltre, la ricerca attraverso database colossali è ancora un processo che richiede molto tempo anche per i computer digitali attuali.

Questi problemi possono essere affrontati con computer quantistici, che possono risolvere problemi che possono richiedere secoli nei computer tradizionali, in pochi minuti.

(H / T: IBM)