È ufficiale: i computer quantistici sono più potenti di quelli tradizionali

Per la prima volta, un team internazionale di ricercatori ha provare che i computer quantistici offrono un vantaggio computazionale rispetto ai computer tradizionali.

Come spiegato in un paper pubblicato lo scorso giovedì su Science, i ricercatori hanno progettato un circuito quantistico in grade di risolvere dei problemi matematici che sarebbero impossibili da risolvere per un computer tradizionale se soggetto alle stesse limitazioni di quello quantistico.

"Il nostro lavoro mostra come i circuiti quantistici siano più potenti a livello computazionale di quelli tradizionali quando disposti su una stessa struttura," mi ha spiegato per mail Robert Konig, teorico della complessità della Technical University of Munich e principale autore del paper. "Non stiamo dicendo che quel problema matematico non possa essere risolto con un computer tradizionale. Si può risolvere, ma servono molte più risorse per farlo."

Il team è stato in grado di ottenere il vantaggio quantistico grazie alla "nonlocalizzazione", una caratteristica dei sistemi quantistici spazialmente isolati che permette loro di essere considerati un singolo sistema: un cambiamento in un sistema si traduce istantaneamente in un cambiamento nell'altro.

I qubits sono il corrispettivo quantistico dei bit in un computer classico, eccetto per il fatto che invece di essere sempre o zero o uno, i qubit possono essere in uno stato di "superposizionamento" di entrambi gli stati allo stesso tempo.

Progettando i circuiti quantistici, è necessario trovare un compromesso tra il numero di qubit che interagiscono in quel circuito e il numero di operazioni che possono essere eseguite su quei qubit — Questo compromesso è conosciuto anche come "profondità" del circuito. Incrementando il numero di qubit o la "profondità" di un circuito quantistico verranno aumentate le sue potenzialità di processamento delle informazioni.

Incrementare uno di questi parametri, però, prevederà una diminuzione dell'altro parametro. Un circuito con un grande numero di qubit, che sarebbe difficile da simulare con un computer tradizionale, è limitato ad una piccola serie di operazioni (ha una bassa profondità), il che rende il suo vantaggio sui computer quantistici più complesso da provare.

Questo perché un circuito quantistico che non incorpora delle funzioni di correzione degli errori è limitato al numero di operazioni che possono essere eseguite sui qubit prima che soccombano al rumore di fondo e perdano coerenza, perdendo così anche le informazioni che trasportavano. Maggiore è il numero di qubit che vengono usati nel circuito, maggiore è lo spazio che si crea perché si generino errori, e il risultato è un crollo nel numero di operazioni che questi qubit possono svolgere.

In questo caso, Konig e i suoi colleghi hanno progettato un circuito quantistico nel quale diversi circuiti a bassa profondità operano in parallelo, e grazie al principio di nonlocalità possono essere ancora considerati un sistema singolo. Questi circuiti a bassa profondità sono stati in grado di risolvere un problema algebrico in un numero fisso di operazioni (cioè avevano un valore di "profondità costante") che è matematicamente impossibile da risolvere per un circuito classico con la stessa profondità costante.

Si prevede che i computer quantistici su larga scala saranno incredibilmente più potenti anche dei più potenti supercomputer tradizionali sfruttando proprietà della meccanica quantistica come il superposizionamento e la nonlocalità.

Questi vantaggi, in teoria, permetteranno i computer quantistici del futuro di eseguire alcuni tipi di calcoli più velocemente dei computer tradizionali. L'algoritmo di Shor, per esempio, permette ai computer quantistici di trovare in maniera efficiente i fattori primi di un certo numero e potranno, grazie ad un maggior numero di qubit, violare le forme più moderne di crittografia. I computer tradizionali, dall'altro lato, non saranno in grado di violare queste forme di crittografia prima della morte termica dell'universo, anche se sfruttassero tutta la potenza computazionale della terra.

Degno di nota è il fatto che uno dei problemi più complessi per gli scienziati che studiano i computer quantistici è capire quando è possibile dire che un computer quantistico ha definitivamente superato le capacità di un compute tradizionale. Per esempio, l'algoritmo di Shor è in grado di fattorizzare i numeri primi in maniera più efficiente di un computer tradizionale, ma ciò non significa che lo stesso livello di efficienza non sia ottenibile con un computer tradizionale. Potrebbe semplicemente essere che nessuno abbia ancora scoperto il metodo giusto per farlo.

Ciò ci porta nel regno delle teorie della complessità, un regno abitato da ricercatori che mettono alla prova il confine che separa i computer tradizionali da quelli quantistici. Anche se la teoria della complessità ha moltissime congetture sul perché vari algoritmi quantistici siano al di fuori della portata dei computer tradizionali, queste congetture non erano state provate — fino ad ora.

Konig e i suoi colleghi vedono il loro lavoro come in grado di buttare le basi matematiche per applicazioni sperimentale e pratiche nel prossimo futuro. A differenza di molto algoritmi quantistici che sono così complessi da essere implementabili soltanto sui computer quantistici di larga scala, questi circuiti quantistici a bassa profondità sono stati progettati per essere alla portata dei computer quantistici sperimentali nel prossimo futuro.

"La realizzazione sperimentale di questo tipo di circuiti richiedere altre considerazioni, incluso uno studio sugli effetti del rumore e un'ottimizzazione sul numero dei qubit richiesti," mi ha spiegato Konig. "Il nostro lavoro e è una prova di principio che mostra che i computer quantistici possono davvero funzionare meglio nel risolvere determinati problemi. È utile saperlo, ma in pratica vorremmo lavorare su problemi meno complessi che appaiono in altre aree della scienza."

“Experimental realization of such circuits will require additional considerations, including a study of the effects of noise and an optimization of the number of qubits required,” König told me. “Our work is a proof-of-principle showing that quantum computers can indeed be better at solving a certain problem. This is good to know, but in practice, we'd like to address less contrived problems that appear in other areas of science.”

Questo articolo è apparso originariamente su Motherboard US.