Informazioni sul calcolo quantisticoUnderstanding quantum computing

Il calcolo quantistico usa i principi della meccanica quantistica per elaborare le informazioni.Quantum computing uses the principles of quantum mechanics to process information. Per questo motivo, il calcolo quantistico richiede un approccio diverso rispetto al calcolo classico.Because of this, quantum computing requires a different approach than classical computing. Un esempio di questa differenza è il processore usato nei computer quantistici.One example of this difference is the processor used in quantum computers. Laddove i computer classici usano chip noti basati su silicio, i computer quantistici usano sistemi quantistici, ad esempio atomi, ioni, fotoni o elettroni.Where classical computers use familiar silicon-based chips, quantum computers use quantum systems such as atoms, ions, photons, or electrons. Usano le proprietà quantistiche per rappresentare i bit che possono essere preparati in sovrapposizioni quantistiche 1 e 0 diverse.They use their quantum properties to represent bits that can be prepared in different quantum superpositions of 1 and 0.

Il materiale quantistico si comporta in base alle leggi della meccanica quantistica, sfruttando concetti quali calcolo probabilistico, sovrapposizione ed entanglement.The quantum material behaves according to the laws of quantum mechanics, leveraging concepts such as probabilistic computation, superposition, and entanglement. Questi concetti rappresentano la base per gli algoritmi quantistici che sfruttano la potenza del calcolo quantistico per risolvere problemi complessi.These concepts provide the basis for quantum algorithms that harness the power of quantum computing to solve complex problems. Questo articolo descrive alcuni dei concetti fondamentali della meccanica quantistica su cui è basato il calcolo quantistico.This article describes some of the essential concepts of quantum mechanics on which quantum computing is based.

Panoramica della meccanica quantisticaA bird’s-eye view of quantum mechanics

La meccanica quantistica, denominata anche teoria dei quanti, è un ramo della fisica che riguarda le particelle a livello atomico e subatomico.Quantum mechanics, also called quantum theory, is a branch of physics that deals with particles at the atomic and subatomic levels. Al livello quantistico, tuttavia, non si applicano molte delle leggi della meccanica che si danno per scontate.At the quantum level, however, many of the laws of mechanics you take for granted don’t apply. La sovrapposizione, la misura quantistica e l'entanglement sono tre fenomeni fondamentali per il calcolo quantistico.Superposition, quantum measurement, and entanglement are three phenomena that are central to quantum computing.

Confronto tra sovrapposizione e calcolo binarioSuperposition vs. binary computing

Si supponga di svolgere attività fisica nel proprio soggiorno.Imagine that you are exercising in your living room. Ci si volta completamente a sinistra e quindi completamente a destra.You turn all the way to your left and then all the way to your right. Provare quindi a voltarsi a sinistra e a destra contemporaneamente.Now turn to your left and your right at the same time. Non è possibile farlo, o almeno, non senza dividersi a metà.You can’t do it (not without splitting yourself in two, at least). Ovviamente, non è possibile trovarsi contemporaneamente in entrambi questi stati. Non si può essere rivolti verso sinistra e verso destra allo stesso tempo.Obviously, you can’t be in both of those states at once – you can’t be facing left and facing right at the same time.

Tuttavia, se si è una particella quantistica, è possibile avere una certa probabilità di essere rivolti verso sinistra E una certa probabilità di essere rivolti verso destra a causa di un fenomeno noto come sovrapposizione (denominato anche coerenza).However, if you are a quantum particle, then you can have a certain probability of facing left AND a certain probability of facing right due to a phenomenon known as superposition (also known as coherence).

Una particella quantistica, ad esempio un elettrone, ha le sue proprietà "rivolta verso sinistra o verso destra" specifiche, ad esempio lo spin o rotazione intorno al proprio asse verso l'alto o verso il basso, o per renderla più correlabile al calcolo binario classico, ovvero 1 o 0.A quantum particle such as an electron has its own “facing left or facing right” properties, for example spin, referred to as either up or down, or to make it more relatable to classical binary computing, let’s just say 1 or 0. Quando una particella quantistica si trova in uno stato di sovrapposizione, si tratta di una combinazione lineare di un numero infinito di stati compreso tra 1 e 0, ma non si sa quale sarà fino a quando non lo si esaminerà, tramite il fenomeno successivo, ovvero la misura quantistica.When a quantum particle is in a superposition state, it’s a linear combination of an infinite number of states between 1 and 0, but you don’t know which one it will be until you actually look at it, which brings up our next phenomenon, quantum measurement.

Misura quantisticaQuantum measurement

Si supponga che un amico venga a trovarci e che desideri scattare una foto mentre facciamo attività fisica.Now, let’s say your friend comes over and wants to take a picture of you exercising. È molto probabile che ottenga un'immagine sfocata mentre ci stiamo girando completamente a sinistra e completamente a destra.Most likely, they’ll get a blurry image of you turning somewhere between all the way left and all the way right.

Tuttavia, se si è una particella quantistica, si verifica una fatto interessante.But if you’re a quantum particle, an interesting thing happens. Indipendentemente dalla posizione in cui ci si trova mentre viene scattata la foto, si verrà ripresi solo completamente rivolti a sinistra o completamente rivolti a destra, ma in nessuno stato intermedio.No matter where you are when they take the picture, it will always show you either all the way left or all the way right – nothing in-between.

Questo dipende dal fatto che l'atto di osservare o misurare una particella quantistica collassa lo stato di sovrapposizione (noto anche come decoerenza) e la particella assume uno stato binario classico di 1 o 0.This is because the act of observing or measuring a quantum particle collapses the superposition state (also known as decoherence) and the particle takes on a classical binary state of either 1 or 0.

Questo stato binario è utile perché nel calcolo è possibile eseguire molte operazioni con gli 1 e gli 0.This binary state is helpful to us, because in computing you can do lots of things with 1’s and 0’s. Tuttavia, una volta che una particella quantistica viene misurata e collassa, rimane in tale stato sempre (proprio come l'immagine) e sarà sempre 1 o 0.However, once a quantum particle has been measured and collapsed, it stays in that state forever (just like your picture) and will always be a 1 or 0. Come si vedrà in seguito, tuttavia, nel calcolo quantistico sono previste operazioni che possono "reimpostare" nuovamente una particella a uno stato di sovrapposizione, per poterla riutilizzare per i calcoli quantistici.As you’ll see later, though, in quantum computing there are operations that can “reset” a particle back to a superposition state so it can be used for quantum calculations again.

EntanglementEntanglement

Probabilmente il fenomeno più interessante della meccanica quantistica è la capacità di due o più particelle quantistiche di diventare correlate tramite entanglement.Possibly the most interesting phenomenon of quantum mechanics is the ability of two or more quantum particles to become entangled with each other. Quando le particelle sono correlate, formano un singolo sistema in modo che lo stato quantistico di una particella non possa essere descritto indipendentemente dallo stato quantistico delle altre particelle.When particles become entangled, they form a single system such that the quantum state of any one particle cannot be described independently of the quantum state of the other particles. Ciò significa che qualsiasi operazione o processo applicato a una particella è correlato anche alle altre particelle.This means that whatever operation or process you apply to one particle correlates to the other particles as well.

Oltre a questa interdipendenza, le particelle possono mantenere questa connessione anche quando sono separate da distanze incredibilmente elevate, anche anni luce.In addition to this interdependency, particles can maintain this connection even when separated over incredibly large distances, even light-years. Gli effetti della misura quantistica si applicano anche alle particelle correlate, tanto che quando una particella viene misurata e collassa, collassa anche l'altra particella.The effects of quantum measurement also apply to entangled particles, such that when one particle is measured and collapses, the other particle collapses as well. Poiché esiste una correlazione tra i qubit con entanglement, la misura dello stato di un qubit fornisce informazioni sullo stato degli altri qubit. Questa proprietà specifica è molto utile nel calcolo quantistico.Because there is a correlation between the entangled qubits, measuring the state of one qubit provides information about the state of the other qubit – this particular property is very helpful in quantum computing.

Qubit e probabilitàQubits and probability

I computer classici archiviano ed elaborano le informazioni in bit, che possono avere uno stato di 1 o 0, ma mai entrambi.Classical computers store and process information in bits, which can have a state of either 1 or 0, but never both. L'equivalente nel calcolo quantistico è il qubit, che rappresenta lo stato di una particella quantistica.The equivalent in quantum computing is the qubit, which represents the state of a quantum particle. A causa della sovrapposizione, i qubit possono essere in uno stato di 1 o 0 o di qualsiasi altro valore compreso tra essi.Because of superposition, qubits can either be 1 or 0 or anything in between. A seconda della configurazione, un qubit ha una certa probabilità di collassare in 1 o 0.Depending on its configuration, a qubit has a certain probability of collapsing to 1 or 0. La probabilità del qubit di collassare in un modo o nell'altro è determinata dall'interferenza quantistica.The qubit's probability of collapsing one way or the other is determined by quantum interference.

Torniamo all'amico che ci ha scattato la foto.Remember your friend that was taking your picture? Si supponga che abbia applicato alla fotocamera dei filtri speciali denominati filtri di interferenza.Suppose they have special filters on their camera called Interference filters. Selezionando il filtro 70/30 e scattando le foto, nel 70% delle immagini verremo ritratti mentre siamo rivolti verso sinistra e nel 30% saremo rivolti verso destra.If they select the 70/30 filter and start taking pictures, in 70% of them you will be facing left, and in 30% you will be facing right. Il filtro ha interferito con lo stato regolare della fotocamera per influenzare la probabilità del suo comportamento.The filter has interfered with the regular state of the camera to influence the probability of its behavior.

Analogamente, l'interferenza quantistica influisce sullo stato di un qubit per influenzare la probabilità di un determinato risultato durante la misura e questo stato probabilistico è il punto di eccellenza della potenza del calcolo quantistico.Similarly, quantum interference affects the state of a qubit in order to influence the probability of a certain outcome during measurement, and this probabilistic state is where the power of quantum computing excels.

Ad esempio, per due bit in un computer classico, ogni bit può archiviare un valore di 1 o 0 e vengono così archiviati insieme quattro valori possibili: 00, 01, 10e 11, ma solo uno di questi alla volta.For example, with two bits in a classical computer, each bit can store 1 or 0, so together you can store four possible values – 00, 01, 10, and 11 – but only one of those at a time. Con due qubit in sovrapposizione, tuttavia, ogni qubit può essere 1 o 0 o entrambi, quindi è possibile rappresentare contemporaneamente gli stessi quattro valori.With two qubits in superposition, however, each qubit can be 1 or 0 or both, so you can represent the same four values simultaneously. Con tre qubit è possibile rappresentare otto valori, con quattro qubit è possibile rappresentare 16 valori e così via.With three qubits, you can represent eight values, with four qubits, you can represent 16 values, and so on.

SummarySummary

Questi concetti rappresentano solo alcuni cenni superficiali della meccanica quantistica, ma sono fondamentali da conoscere per il calcolo quantistico.These concepts just scratch the surface of quantum mechanics, but are fundamentally important concepts to know for quantum computing.

  • Sovrapposizione: possibilità delle particelle quantistiche di essere una combinazione di tutti gli stati possibili.Superposition - The ability of quantum particles to be a combination of all possible states.
  • Misura quantistica: l'atto di osservare una particella quantistica in sovrapposizione e di ottenere uno degli stati possibili.Quantum measurement - The act of observing a quantum particle in superposition and resulting in one of the possible states.
  • Entanglement: possibilità delle particelle quantistiche di correlare i risultati della misura l'una con l'altra.Entanglement - The ability of quantum particles to correlate their measurement results with each other.
  • Qubit: unità di base delle informazioni nel calcolo quantistico.Qubit - The basic unit of information in quantum computing. Un qubit rappresenta una particella quantistica con sovrapposizione di tutti gli stati possibili.A qubit represents a quantum particle in superposition of all possible states.
  • Interferenza: comportamento intrinseco di un qubit a causa della sovrapposizione per influenzare la probabilità che collassi in un modo o in un altro.Interference - Intrinsic behavior of a qubit due to superposition to influence the probability of it collapsing one way or another.

Passaggi successiviNext Steps

Computer e simulatori quantisticiQuantum computers and quantum simulators