Dal bit a qubit
- 1. DAL BIT AL QUBIT
- 2. I calcolatori attuali sono milioni di volte più potenti dei loro antenati, ma la tecnologia dei circuiti integrati sta raggiungendo i limiti fisici della meccanica classica. La tipica informatica potrebbe divenire satura nel giro di 10 anni. Proprio per questo è necessario sostituire o affiancare nuove tecnologie alle attuali. La soluzione a queste problematiche è il “Quantum computing”
- 3. Alcuni scienziati considerano il computer quantistico “the ultimate computer”, il computer definitivo della storia, il più potente mai creato, che non verrà mai superato. CHE COS’E’ IL COMPUTER QUANTISTICO? COME FUNZIONA? E SOPRATTUTTO, QUALI GRANDI CAMBIAMENTI POTREBBE APPORTARE QUESTA SCOPERTA?
- 4. I quantum computer sono calcolatori che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica, che studia le particelle subatomiche. La loro unità fondamentale è il bit quantistico o qubit.
- 5. DAL BIT A QUBIT I computer classici che tutti conosciamo utilizzano come unità di informazione di base il cosiddetto bit. Da un punto di vista prettamente fisico il bit è un sistema a 2 stati: 0 o 1, i quali si escludono l’uno con l’altro. Agli albori della tecnologia informatica, i bit erano delle grosse ciambelle di metallo (toroidi magnetici). Si è arrivati poi ai moderni transistor delle dimensioni di qualche milionesimo di centimetro.
- 6. Le differenze fra il bit e il qubit sono sostanziali perché fanno riferimento a due diverse rappresentazioni fisiche della realtà. Il qubit, in particolare, esiste proprio grazie al concetto di quantizzazione dell’energia e della materia e acquisisce dai principi della fisica quantistica due fondamentali caratteristiche che non hanno corrispondenza nel mondo della fisica classica: sovrapposizione (che provoca l’interferenza quantistica) ed entanglement. Grazie a questi principi il qubit può assumere infiniti valori contemporaneamente, al contrario del bit. SFERA DI BLOCH (Rappresentazione geometrica del QuBit)
- 7. SOVRAPPOSIZIONE ENTANGLEMENT abilita i calcoli in parallelo (anziché uno alla volta), moltiplicando esponenzialmente potenza e velocità anche per calcoli estremamente complessi, riducendo i tempi di elaborazione da anni a minuti. Detto anche intricazione quantistica, è la capacità che hanno due o più qubit di diventare un sistema unico dove le variazioni che avvengono su un elemento si ripercuotono istantaneamente anche sull’altro o sugli altri.
- 8. Su un computer quantistico, con 3 qubit, le otto combinazioni possono essere memorizzate e manipolate contemporaneamente. Questo meccanismo realizza una "parallelizzazione" della elaborazione le cui potenzialità crescono in modo esponenziale rispetto al numero di qubit coinvolti.
- 9. Un po’ di storia… • Il padre dell’Informatica è Alan Turing, ed il suo profeta è Charles Babbage, il quale ha concepito gli elementi essenziali di un calcolatore moderno, nonostante ai suoi tempi non esistesse la tecnologia necessaria a realizzare praticamente le sue idee. • La computazione classica si basa sul modello astratto della Macchina di Turing, definito nel 1936 dal matematico inglese A. Turing e successivamente rielaborato da John von Neumann negli anni '40. La macchina di Turing utilizza gli assiomi della fisica classica. • Richard Feynman fu il primo che tentò di concepire una macchina funzionante sulla base dei principi della fisica quantistica.
- 10. Un po’ di storia… • Nel 1982 R. Feynman pubblica il suo famoso lavoro sul Computer Quantistico. In esso, dimostrò che: “nessuna Macchina di Turing classica può simulare certi fenomeni fisici senza incorrere in un rallentamento esponenziale delle sue prestazioni” Al contrario, un “simulatore quantistico universale” avrebbe potuto effettuare la simulazione in maniera più efficiente. • nel 1985, David Deutsch descrive la prima vera MTQ. Rappresenta in teoria della calcolabilità quantistica esattamente quello che la Macchina di Turing Universale rappresenta per la calcolabilità classica e ha portato alla concezione moderna di computazione quantistica.
- 12. POSSIBILI APPLICAZIONI DEL COMPUTER QUANTISTICO Le applicazioni più probabili della computazione quantistica riguardano le simulazioni, in particolare per quanto riguarda i sistemi a loro volta basati su proprietà quantistiche. Ad esempio in ambito chimico-biologico ci sono numerose ipotesi, dalla ricerca farmaceutica alla creazione di nuovi materiali, dall’analisi dei fertilizzanti a quella dei sistemi di immagazzinamento di energia.
- 13. Già in uso… • Nell’informatica il calcolo quantistico viene applicato per la rilevazione di anomalie statistiche; • Nei servizi finanziari il calcolo quantistico viene sfruttato ai fini del rilevamento di instabilità dei mercati, per lo sviluppo di strategie di trading, simulazioni di mercato, ottimizzazione dei portafogli, previsioni finanziarie. • Nei trasporti si contano progetti che sfruttano le potenzialità del quantum computing per la gestione del traffico, i veicoli a guida autonoma, l’ottimizzazione della rete di ricarica elettrica.
- 14. IBM VS GOOGLE IBM ha inaugurato l’era dei computer quantistici nel 2001 creando un elaboratore quantistico a 7 qubit. Ad oggi IBM possiede 18 sistemi quantici che mette a disposizione della sua community. Nel suo nuovo sistema integrato IBM ha previsto una serie di componenti quali hardware quantistico per produrre qubit di qualità, ingegneria criogenica per mantenere isolato e opportunamente raffreddato l’ambiente quantico, elettronica di alta precisione. Anche Google possiede un elaboratore quantistico. Il team spiega di essere riuscito ad effettuare in 3 minuti e 20 secondi un calcolo estremamente complesso attraverso la macchina, conquistando la supremazia quantistica.
- 15. La quantum cybersecurity • Una potenza come quella quantistica richiede di riprogettare i metodi di protezione delle comunicazioni, delle transazioni e di qualunque tipo di trasferimento di dati: potenzialmente, i computer quantistici possono superare tutte le barriere della tradizionale crittografia. • Di qui la corsa allo sviluppo di una nuova crittografia quantistica, basata su misure sofisticate come la distribuzione di chiavi quantiche, algoritmi a sicurezza quantistica e generatori di numeri casuali quantici. La quantum cybersecurity sarà la base delle reti di comunicazione quantistica, abbinando alla potenza e velocità anche la sicurezza.
- 16. Cosa ci riserva il futuro? In futuro è estremamente probabile che un calcolatore quantistico riesca a dimostrare teoremi attraverso metodi che un cervello umano (o un calcolatore classico) non è in grado nella maniera più assoluta di controllare, perché se la “sequenza di proposizioni” corrispondente alla dimostrazione intesa nel senso classico venisse stampata, la carta riempirebbe l’universo osservabile per molte volte.
- 17. FINE