Il computer quantico è una tecnologia che potenzia notevolmente il mondo delle scienze computazionali. Costruendo un hardware che utilizzi, come entità elementari, non bit classici che possono assumere solo valori binari (0 o 1), ma bit quantistici (qubit), è possibile risolvere problemi computazionali altrimenti intrattabili.

I bit classici possono trovarsi in due stati distinti, definiti come “0” e “1”.
Negli attuali componenti hardware, ogni bit corrisponde a un transistor, e gli stati “0” e “1” corrispondono ai casi in cui il transistor è, rispettivamente, aperto o chiuso.
Un transistor è formato da materiali semiconduttori che possono contenere milioni di atomi di silicio.

Differenza tra elaborazione parallela e sequenziale

Una delle principali differenze tra computer classici e computer quantistici è il modo in cui elaborano le informazioni. I computer classici eseguono operazioni in modo sequenziale, eseguendo un’operazione alla volta. Ciò significa che se un computer classico deve eseguire un gran numero di calcoli, ci vorrà più tempo per completarli rispetto a un computer quantistico. D’altra parte, i computer quantistici possono eseguire più calcoli contemporaneamente, consentendo loro di elaborare le informazioni in parallelo.

Un’altra differenza fondamentale tra il calcolo classico e quello quantistico è il modo in cui memorizzano le informazioni. Nei computer classici, i bit possono trovarsi solo in uno dei due stati: 0 o 1. Tuttavia, in un computer quantistico, i bit quantistici, o qubit, possono esistere in più stati contemporaneamente. Questo è noto come sovrapposizione. In altre parole, un qubit può essere sia 0 che 1 contemporaneamente, il che consente ai computer quantistici di eseguire più calcoli contemporaneamente.

Gli algoritmi utilizzati nel calcolo quantistico sono fondamentalmente diversi da quelli utilizzati nel calcolo classico. Gli algoritmi classici sono progettati per operare su dati binari, mentre gli algoritmi quantistici sono progettati per operare su qubit in una sovrapposizione di stati. Un esempio di algoritmo quantistico è l’algoritmo di Shor, che può fattorizzare grandi numeri in modo esponenzialmente più veloce di qualsiasi algoritmo classico conosciuto.

Un altro algoritmo quantistico è l’algoritmo di Grover, progettato per cercare in un database non ordinato con accelerazione quadratica rispetto agli algoritmi classici. Questi algoritmi quantistici hanno il potenziale per rivoluzionare campi come la crittografia e l’intelligenza artificiale.

• Alcune tecnologie per costruire un qubit sono :
• Trapped ion quantum computer: utilizzano atomi di itterbio, Yb, come qubits, sfruttando gli elettroni dell’Yb per rappresentare i due stati |0 e |1. Gli atomi vengono ionizzati in modo da avere una carica netta positiva e, quindi, possano interagire tramite l’interazione di Coulomb. Gli atomi di Yb vengono disposti nell’hardware in una struttura reticolare bi- o tri-dimensionale, mediante campi elettromagnetici che confinano o intrappolano gli atomi in una posizione ben precisa. I quantum vengono realizzati utilizzando radiazioni laser che, interagendo con gli elettroni dell’Yb, possono modificarne lo stato.
• Neutral atoms quantum computer: è possibile utilizzare come qubit anche atomi neutri, non ionizzati. Poiché non hanno una carica positiva, atomi neutri non possono interagire tramite l’interazione di Coulomb. In pratica, gli elettroni dell’atomo vengono eccitati utilizzando radiazione elettromagnetica che modifica la distribuzione di carica degli elettroni attorno al nucleo, in modo tale che gli atomi possano interagire fra loro. In questo caso gli atomi vengono confinati e disposti in reticoli ordinati usando radiazione elettromagnetica.
• Semiconductor-based quantum computer: una tecnologia radicalmente diversa da quella basata su atomi (sia neutri che ionizzati) è quella basata su materiali semiconduttori. La tecnologia è utilizzata, ad esempio, negli hardware sviluppati dai laboratori di ricerca IBM e Google. In questo caso, un qubit non è rappresentato da una singola particella, ma da un microscopico circuito formato da materiale superconduttore. La parola chiave in questo contesto è superconduttore, la caratteristica che differenzia questi circuiti dai transistor classici. La superconduzione è un fenomeno puramente quantistico che fa sì che questi circuiti possono essere utilizzati come qubit.

Questa lista non esaurisce tutte le tecnologie proposte fino ad oggi per costruire computer quantici.