Informatica quantistica: differenze tra le versioni

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L{{'}}'''informatica quantistica''' è l'insieme delle tecniche di calcolo e del loro studio che utilizzano i [[meccanica quantistica|quanti]] per memorizzare ed [[elaborare]] le [[informazione|informazioni]]. Molte sono le differenze con l'[[informatica]] classica, soprattutto nei [[#Principi dell'informatica quantistica|principi fondamentali]].

== Origini ==

La [[macchina di Turing]] (MT) utilizzaè gliuna architettura elaborativa utilizzata per lo studio dei computer tradizionali e della scienza dell'informazione che fu realizzata allo scopo di creare un calcolatore e che è costruita in base agli [[Assioma|assiomi]] della [[fisica classica]],: ossia lo stato del nastro e della testina sono sempre univocamente identificabili, gli spostamenti sono sempre regolati dalle leggi del moto, etc. Quindi la MT è totalmente ''deterministica'' (MTD). Una sua variante, che si dimostra equivalente ma più veloce, è la [[macchina di Turing probabilistica]] (MTP). Può risolvere ogni problema cherisolvibile è possibile risolvere tramite lavia MTD, ma di solito lo fa più velocemente (nel senso della [[teoria della complessità algoritmica]]). Anch'essa, però, è soggetta agli assiomi della fisica classica, e soprattutto nessuna delle due è ''reversibile'', per il [[secondo principio della termodinamica]]. Dato che la [[meccanica quantistica]] è ''reversibile'', lo è anche una [[macchina di Turing quantistica]] (MTQ) deve essere reversibile. Inoltre deve rispettare i [[postulati della meccanica quantistica|vincoli della meccanica quantistica]], tra cui il [[principio di indeterminazione di Heisenberg]] e l'[[equazione di Schrödinger]].

Lo sviluppo di una MTQ, e quindi di un ''calcolatore quantistico'', ha richiesto, come spesso avviene, diversi passaggi.

Nel [[1973]] [[Charles Bennet]] dimostrò che è possibile costruire una MT reversibile. Nel 1980, [[Paul Benioff]] ha dimostrato che la reversibilità è una condizione necessaria per realizzare una MTQ. Due anni dopo [[Richard Feynman]] pubblicò il suo famoso lavoro sul [[computer quantistico]]. In esso, stabilisce che:

#Una MTD può simulare un sistema quantistico solo con un rallentamento esponenziale (nel senso della [[teoria della complessità algoritmica]]).

#Un computer basato sui [[qubit]] non è soggetto a tale limitazione, ed è dunque un ''simulatore quantistico universale''.

Finalmente, nel [[1985]], [[David Deutsch]] dell'[[Università di Oxford]] descrive la prima vera MTQ.

Nel [[1973]] [[Charles BennetH. Bennett|Charles Bennett]] dimostrò che è possibile costruire una MT reversibile. Nel 1980, [[Paul Benioff]] ha dimostratodimostrò che la reversibilità è una condizione necessaria per realizzare una MTQ. Due anni dopo [[Richard Feynman]] pubblicò il suo famoso lavoro sul [[computer quantistico]]. In esso, stabilisce che:

I primi prototipi di computer a qubit sono stati realizzati dal Centro ricerche dell'IBM di Almaden nel 1997, misurando lo spin dei nuclei atomici di particolari molecole tramite la [[risonanza magnetica nucleare]]. Sono stati realizzati "processori" a 5 e 7 qubit, con cui tra l'altro è stato applicato per la prima volta l'[[algoritmo di fattorizzazione di Shor]]

# Una MTD può simulare un sistema quantistico solo con un rallentamento esponenziale (nel senso della [[teoria della complessità algoritmica]]).

# Un computer basato sui [[qubit]] non è soggetto a tale limitazione, ed è dunque un ''simulatore quantistico universale''.

Finalmente, nel [[1985]], [[David Deutsch]] dell'[[Università di Oxford]] descrivedescrisse la prima vera MTQ.

I primi prototipi di computer a qubit sono statifurono realizzati dal Centro ricerche dell'IBM di Almaden nel 1997, misurando lo spin dei nuclei atomici di particolari molecole tramite la [[risonanza magnetica nucleare]]. Sono stati realizzati "processori" a 5 e 7 qubit, con cui tra l'altro è stato applicato per la prima volta l'[[algoritmo di fattorizzazione di Shor]]

==Principi dell'informatica quantistica ==

== Descrizione ==

=== Principi ===

Le ''regole'' che stanno alla base del calcolo quantistico differiscono notevolmente da quelle classiche, e sembrano molto più restrittive. In realtà, è possibile mostrare che le macchine di Turing quantistiche (MTQ) non solo permettono di raggiungere la stessa affidabilità nei calcoli, ma riescono a eseguire compiti che le macchine di Turing classiche non possono fare: ad esempio, generare numeri veramente casuali, e non pseudo-casuali.

Andiamo ad elencare i principi:

#[[Teorema di no-cloning quantistico|No-cloning]]: l'[[informazione quantistica]] non può essere '''copiata''' con fedeltà assoluta, e quindi neanche '''letta''' con fedeltà assoluta. ([[William Wootters]], [[1982]]).

#L'[[informazione quantistica]] può invece essere '''trasferita''' con fedeltà assoluta, a patto che l'originale venga distrutto nel processo. Il [[teletrasporto quantistico]] è stato ottenuto per la prima volta da Nielsen, Klinn e LaFlamme nel [[1998]].

#'''Ogni misura''' compiuta su di un sistema quantistico '''distrugge''' la maggior parte dell'informazione, lasciandolo in uno [[stato quantico|stato base]]. L'informazione distrutta non può essere recuperata. Ciò è una derivazione diretta dai [[postulati della meccanica quantistica]] (PMQ)

#Anche se in qualche caso è possibile conoscere esattamente in che stato base si troverà il sistema dopo una misura, il più delle volte avremo solo '''previsioni probabilistiche'''. Anche questo deriva direttamente dai PMQ

#Alcune [[osservabili]] '''non possono''' avere simultaneamente '''valori definiti''' con precisione, per il [[principio di indeterminazione di Heisenberg]]. Ciò ci impedisce sia di stabilire con esattezza le [[condizioni iniziali]] prima del calcolo, sia di leggere i risultati con precisione.

#L'[[informazione quantistica]] può essere codificata, e solitamente lo è, tramite '''correlazioni non-locali''' tra parti differenti di un sistema fisico. In pratica, si utilizza l'''[[entanglement quantistico|entanglement]]''.

Questi i principi:<ref>{{Cita web|url=http://www.mi.ras.ru/~holevo/eindex.html|titolo=Alexandr S. Holevo|sito=Mi.ras.ru|accesso=4 dicembre 2018}}</ref>

==Approcci al qubit==

# [[Teorema di no-cloning quantistico|Nono-cloning]]: l'[[informazione quantistica]] non può essere '''copiata''' con fedeltà assoluta, e quindi neanche '''letta''' con fedeltà assoluta. (;<ref>[[William Wootters]], ([[1982]]).</ref>

Oltre all'approccio ''fisico'' al [[qubit]], rappresentato tramite trappole di ioni, punti quantistici, o spin atomici, vi è anche l'approccio [[topologia|topologico]], che recentemente sta attraversando un boom di notorietà, grazie alle proprietà dei gas bidimensionali di elettroni.

#L l'[[informazione quantistica]] può invece essere '''trasferita''' con fedeltà assoluta, a patto che l'originale venga distrutto nel processo. Il [[teletrasporto quantistico]] è stato ottenuto per la prima volta da Nielsen, Klinn e LaFlamme nel [[1998]].;

#'''Ogni ogni misura''' compiuta su di un sistema quantistico '''distrugge''' la maggior parte dell'informazione, lasciandolo in uno [[stato quantico|stato base]]. L'informazione distrutta non può essere recuperata. Ciò è una derivazione diretta dai [[postulati della meccanica quantistica]] (PMQ);

#Anche anche se in qualche caso è possibile conoscere esattamente in che stato base si troverà il sistema dopo una misura, il più delle volte avremo solo '''previsioni probabilistiche'''. Anche questo deriva direttamente dai PMQ;

#Alcune alcune [[osservabili]] '''non possono''' avere simultaneamente '''valori definiti''' con precisione, per il [[principio di indeterminazione di Heisenberg]]. Ciò ci impedisce sia di stabilire con esattezza le [[condizioni iniziali]] prima del calcolo, sia di leggere i risultati con precisione.;

#L l'[[informazione quantistica]] può essere codificata, e solitamente lo è, tramite '''correlazioni non-locali''' tra parti differenti di un sistema fisico. In pratica, si utilizza l{{'}}''[[entanglement quantistico|entanglement]]''.

=== Approcci al qubit ===

==Critiche==

{{Vedi anche|Atomo di Rydberg}}

Alcuni criticano le possibilità dell'informatica quantistica, in quanto per poter avere elevate precisioni sia in ingresso che in uscita, occorre sia [[tempo]] che [[energia]]. Questo è senz'altro vero, tuttavia vi è un aspetto che viene sottovalutato: la precisione è [[Infinito (matematica)|infinita]] durante il calcolo. Questo significa che durante elaborazioni complesse, non vi sono ulteriori errori di [[cancellazione]], [[Arithmetic overflow|overflow]] o [[Arithmetic underflow|underflow]] determinati dalla [[rappresentazione digitale]], come invece accade con i processori binari. In altre parole un algoritmo quantistico è sempre [[stabilità algoritmica|stabile]], tranne che per l'input e l'output.

Un [[qubit]] fisico può essere realizzato tramite trappole di ioni, punti quantistici o spin atomici nei semiconduttori, superconduttori, e fotoni <ref>[https://books.google.it/books?id=oKc0DwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=it#v=onepage&q&f=false ''Mente artificiale''], E. Prati, Cap. 3 I computer quantistici, EGEA (2017)</ref>. In alternativa vi è l'approccio [[topologia|topologico]], prescelto ad esempio da Microsoft per realizzare un computer quantistico e basato sulle proprietà dei gas bidimensionali di elettroni, che se realizzato consentirebbe una maggiore resilienza ai fenomeni di decoerenza o di disturbo che affliggono i primi.

=== Critiche ===

==Bibliografia e letture consigliate==

Alcuni criticano le possibilità dell'informatica quantistica, in quanto per poter avere elevate precisioni sia in ingresso che in uscita, occorre siaoccorrono [[tempo]] cheed [[energia]]. Questo è senz'altro vero, tuttavia vi è un aspetto che viene sottovalutato: la precisione è [[Infinito (matematica)|infinita]] durante il calcolo. Questo significa che durante elaborazioni complesse, non vi sono ulteriori errori di [[cancellazione]], [[Arithmetic overflow|overflow]] o [[Arithmetic underflow|underflow]] determinati dalla [[rappresentazione digitale]], come invece accade con i processori binari. In altre parole un algoritmo quantistico è sempre [[stabilità algoritmica|stabile]], tranne che per l'input e l'output.

===Letture tecniche=Note ==

<references/>

== Bibliografia e letture consigliate==

=== Letture tecniche ===

'''Libri e dispense'''

* {{en}} [[Zdzislaw Meglicki]], ''[http://beige.ucs.indiana.edu/B679/ Introduction to Quantum Computing] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20041011101059/http://beige.ucs.indiana.edu/B679/ |data=11 ottobre 2004 }}'', [[Università dell'Indiana]], [[2002]]

* {{en}} [[Zhenghan wangWang]], ''[http://www.tqc.iu.edu/M744/ Introduction to Topological Quantum Computing] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060907032701/http://www.tqc.iu.edu/M744/ |data=7 settembre 2006 }}'', [[Università dell'Indiana]], [[2002]]

'''Articoli'''

* {{en}} [[Charles H. Bennett|Bennett, Charles]] ([[1973]]), ''[httphttps://www.research.ibm.com/journal/rd/176/ibmrd1706G.pdf Logical reversibility of computation] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20041231103230/http://www.research.ibm.com/journal/rd/176/ibmrd1706G.pdf |data=31 dicembre 2004 }}'', [[IBM]] J. Res. Develop., n 17, pagine 525-532.

* {{en}} [[Paul Benioff|Benioff, Paul]] ([[1980]]), ''[http://kh.bu.edu/qcl/pdf/benioffp19790b140c6d.pdf The computer as a physical system: A microscopic quantum mechanical Hamiltonian model of computers as represented by Turing machines] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20050301223215/http://kh.bu.edu/qcl/pdf/benioffp19790b140c6d.pdf |data=1º marzo 2005 }}'', J. Statist. Phys. n. 22, pagine 563-591.

* {{en}} [[William Wootters|Wootters, W.]] e Zurek, W. ([[1982]]), ''"A single quantum cannot be cloned"'', [[Nature]] n. 299, pagine 802-803.

* {{en}} [httphttps://www.media.mit.edu/physics/publications/papers/98.06.sciam/0698gershenfeld.html Quantum Computing with Molecules], Scientific American Feature article

== Voci correlate ==

* [[Algoritmo quantistico|Algoritmi quantistici]]

* [[Computer quantistico]] di [[Richard Feynman|Feynman]]

* [[Macchina di Turing quantistica]]

* [[Qubit]]

== CollegamentiAltri progetti esterni==

{{interprogetto|preposizione=sull'|wikt=informatica quantistica}}

*{{en}}[http://www.research.ibm.com/quantuminfo/ IBM Reseach] Quantuminfo

*{{en}}[http://plato.stanford.edu/entries/qt-entangle/ Entanglement e Informatica quantistica]

== Collegamenti esterni ==

*{{en}}[http://www.qcaustralia.org/home.htm Centro di calcolo quantistico Australiano]

* {{ThesaurusCollegamenti BNCFesterni}}

* {{en}}[https://web.archive.org/web/20050206225757/http://www.research.ibm.com/quantuminfo/ IBM ReseachResearch] Quantuminfo

*{{en}}[http://www.qubit.org/ Centre for quantum computation]

* {{cita web|1=http://www.qcaustralia.org/home.htm|2=Centro di calcolo quantistico Australiano|lingua=en|accesso=21 gennaio 2005|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20050123094349/http://www.qcaustralia.org/home.htm|dataarchivio=23 gennaio 2005|urlmorto=sì}}

* {{cita web|1=http://www.qubit.org/|2=Centre for quantum computation|lingua=en|accesso=11 dicembre 2005|dataarchivio=13 febbraio 2005|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20050213161521/http://www.qubit.org/|urlmorto=sì}}

*[https://www.zhinst.com/europe/it/quantum-computing-systems/qccs Sistema di controllo per la computazione quantistica], da Zurich Instruments AG

{{meccanica quantistica}}

{{Controllo di autorità}}

{{Portale|meccanica quantistica|informatica}}

[[Categoria:Informatica quantistica| ]]

[[ko:양자컴퓨터]]