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Computer quantistico batte computer tradizionale

IBM Quantum Challenge 2021
(Image credit: IBM)

Davvero un computer quantistico ha un vantaggio evidente rispetto ai computer tradizionali? Rispondere a questa domanda non è semplicissimo, e di recente alcuni ricercatori in forza a IBM hanno pubblicato un esperimento che cerca di fare chiarezza. Il loro lavoro è apparso, con più dettagli, anche su Nature.

Come si fa a dimostrare che un qbit è "migliore" di un bit tradizionale, almeno per certi tipi di calcolo? Tanto per cominciare, cerchiamo di capire almeno a grandi linee di cosa stiamo parlando. 

La differenza è che un bit "classico" può avere valore zero oppure uno, e questi due valori sono tutto ciò che costituisce la memoria e la capacità di calcolo di un moderno computer. Un bit quantistico invece è uno stato che può assumere più valori allo stesso tempo

Senza scendere nei dettagli della meccanica quantistica, l'idea di fondo è che il qbit permetta di eseguire calcoli più complessi rispetto al bit elettronico. 

Gli scienziati di IBM volevano capire "come cambia la potenza di calcolo quando un computer ha accesso a spazio di elaborazione classico rispetto allo spazio quantistico". Per farlo hanno ideato un circuito limitato, che possiamo immaginare come una singola porta logica. 

Le porte logiche sono elementi che alterano l'informazione per generare un risultato. Una porta OR per esempio, accetta in ingresso due segnali, ognuno dei quali può essere 0 oppure 1. In uscita restituisce un segnale, che a sua volta può essere 0 oppure 1, secondo una regola specifica. 

Sono alla base di tutta l'elettronica: un moderno processore contiene miliardi di transistor, e decine di miliardi di porte logiche. 

Ebbene, in teoria il computer quantistico può fare operazioni impossibili per il computer tradizionale. Era un fatto già noto, ma prima di tutto gli scienziati di IBM lo hanno dimostrato matematicamente, relativamente al loro specifico esperimento. 

Dopodiché hanno realizzato un vero computer quantistico per vedere che cosa sarebbe successo nel mondo reale. 

"La nostra dimostrazione comprende lo studio della più semplice funzione non eseguibile tramite il calcolo classico, in un modello limitato a un bit: rilevare la maggioranza in un gruppo di tre bit (vale a dire restituire zero se più di metà dei bit è zero, oppure uno se più di metà è uno). 

Dimostrazione del vantaggio

Il computer classico (che pure era stato potenziato) ha restituito il risultato corretto nell'87,5% dei casi, mentre quello quantistico nel 100% dei casi. Il che è notevole, se si considera che il calcolo quantistico, per sua natura, ha moltissimi più errori che "sporcano" il risultato. Passando a un'applicazione reale, infatti, il computer quantistico scende al 93%, che è comunque superiore al computer binario. 

"Questo risultato dimostra che un computer quantistico, con il suo rumore e con solo quattro qubit (tre qubit come input e codifica; un qubit come potenza di calcolo o scrap space) può eseguire calcoli impossibili per un computer classico perfetto. 

Per aumentare il numero di qubit, azione necessaria per aumentare la complessità dei calcoli, si rendono necessarie nuove porte logiche chiamate SWAP. Servono per gestire i qubit, ma costano molto. 

Valerio Porcu

Valerio Porcu è Redattore Capo e Project Manager di TechRadar Italia.