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I CALCOLATORIQUANTISTICI
Luglio 2003
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I CALCOLATORI ATTUALI SONO MILIONI DI VOLTE PIU
POTENTI DEI LORO ANTENATI. DI CONSEGUENZA LA
TECNOLOGIA DEI CIRCUITI INTEGRATI STA
RAGGIUNGENDO I PROPRI LIMITI FISICI.
QUESTE DIMENSIONI PERO LA MATERIA COMINCIA A
COMPORTARSI COME UN AGGREGATO DI SINGOLI ATOMI E
IL FUNZIONAMENTO DEI CIRCUITI DIVENTA
PROBLEMATICOE QUINDI NECESSARIO SOSTITUIRE O
AFFIANCARE NUOVE TECNOLOGIE ALLE ATTUALI.
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UN PO DI STORIA

• QUALCHE DECENNIO FA ROLF LANDAUER E CHARLES H.
  BENNET, MEMBRI DEL THOMAS J. WATSON RESEARCH
  CENTER DELLA IBM INIZIARONO A CHIEDERSI FINO A
  CHE PUNTO SIA POSSIBILE RIMPICCIOLIRE I
  COMPONENTI DEI CIRCUITI
• NE EMERSE CHE ESSENDO I CALCOLATORI DISPOSITIVI
  FISICI IL LORO FUNZIONAMENTO E DESCRITTO DALLA
  FISICA QUINDI QUANDO I COMPONENTI DEI CIRCUITI
  DIVENTANO PICCOLISSIMI, LA LORO DESCRIZIONE DEVE
  ESSERE FORMULATA IN TERMINI QUANTISTICI.
• NEI PRIMI ANNI OTTANTA PAUL BENIOFF DELLARGONNE
  NATIONAL LABORATORY DIMOSTRO TEORICAMENTE CHE UN
  CALCOLATORE POTREBBE FUNZIONARE IN REGIME
  QUANTISTICO PURO.

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• POCO DOPO DAVID DEUTSCH DELLISTITUTO DI
  MATEMATICA DELLUNIVERSITA DI OXFORD E ALTRI
  SCIENZIATI STATUNITENSI COSTRUIRONO MODELLI DI
  CALCOLATORI QUANTISTICI PER STUDIARNE LE
  DIFFERENZE RISPETTO A QUELLI CLASSICI.
• NELLA SECONDA META DEGLI ANNI OTTANTA, PER
  DIVERSI MOTIVI, LE RICERCHRE LANGUIRONO.

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TUTTAVIA NELLULTIMO DECENNIO IL QUADRO E
CAMBIATO
NEL 1994, DURANTE UN WORKSHIP TENUTOSI A TORINO
SONO STATI PRESENTATI DIVERSI PROGETTI DI
COMPUTER QUANTISTICI
PETER W.SHOR DEGLI AT AND T BELL LABORATORIES HA
DIMOSTRATO CHE UN CALCOLATORE QUANTISTICO
POTREBBE SCOMPORRE IN FATTORI PRIMI NUMERI MOLTO
GRANDI
IL GRUPPO DI H. JEFF. KIMBLE DEL CALTECH E QUELLO
DI DAVID J. WINELAND DEL NIST HANNO COSTRUITO
PROTOTIPI DI ALCUNI DI QUESTI COMPONENTI
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LINFORMAZIONE QUANTISTICA

• LINFORMAZIONE SI PRESENTA IN QUANTITA DISCRETE
  COME I LIVELLI ENERGETICI DI UN ATOMO IN
  MECCANICA QUANTISTICA IL QUANTO DINFORMAZIONE
  SI CHIAMA BIT. UN BIT NON E ALTRO CHE LA
  DIFFERENZA TRA 0 E 1
• NEI CALCOLATORI DIGITALI LA TENSIONE TRA LE
  PIASTRE DI UN CONDENSATORE RAPPRESENTA UN BIT DI
  INFORMAZIONE. UN CONDENSATORE CARICO REGISTRA UN
  1 E UNO SCARICO UNO 0
• UN CALCOLATORE QUANTISTICO FUNZIONA FACENDO
  CORRISPONDERE LA NATURA DISCRETA
  DELLINFORMAZIONE DIGITALE ALLA NATURA DISCRETA
  DELLA MECCANICA QUANTISTICA, MA PER FUNZIONARE DA
  CALCOLATORE UN SISTEMA QUANTISTICO NON PUO
  LIMITARSI A REGISTRARE BIT MA DEVE ANCHE
  PERMETTERE ALLOPERATORE DI AGIRE SUL SISTEMA
  INTRODUCENDO INFORMAZIONE, ELABORANDOLA MEDIANTE
  OPERAZIONI LOGICHE ED ESTRAENDOLA.

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ISIDOR ISAAC RABI (PREMIO NOBEL 1944) FU IL PRIMO
A INDICARE COME SCRIVERE LINFORMAZIONE IN UN
SISTEMA QUANTISTICO

• IMMAGINIAMO UN ATOMO DI IDROGENO NELLO STATO
  FONDAMENTALE, CUI CORRISPONDE UNA QUANTITA DI
  ENERGIA Eº. PER SCRIVERE UN BIT 0 SU QUESTO ATOMO
  NON SIFA NULLA. PER SCRIVERE 1 SI PORTA LATOMO A
  UN LIVELLO ENERGETICO SUPERIORE, E¹. CIO SI
  OTTIENE IMMERGENDOLO IN UNA LUCE LASER COSTITUITA
  DA FOTONI AVENTI ENERGIA PARI ALLA DIFFERENZA TRA
  E¹ E E. SE LATOMO SI TROVA GIA NELLO STATO
  ENERGETICO ECCITATO LO STESSO IMPULSO LO FA
  PASSARE NELLO STATO FONDAMENTALE. IN TERMINI DI
  REGISTRAZIONE DI INFORMAZIONE, LIMPULSO ORDINA
  ALLATOMO DI COMMUTARE IL SUO BIT.
• LEGGERE I BIT E UN PO COME FARLI COMMUTARE. SI
  PORTA LATOMO A UN LIVELLO ENERGETICO ANCORA PIU
  ALTO E MENO STABILE E², PER FAR CIO SI ESPONE
  LATOMO A UNA LUCE AVENTI ENERGIA PARI ALLA
  DIFFERENZA TRA E¹ E E² SE LATOMO E IN E¹,
  VIENE PORTATO IN E² MA RITORNA SUBITO IN E¹
  EMETTENDO UN FOTONE.

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IL CALCOLO QUANTISTICO

• I CIRCUITI ELETTRONICI SONO COSTITUITI DA
  ELEMENTI LINEARI (COME CAVI, RESISTORI) E NON
  LINEARI (COME TRANSISTORI) CHE OPERANO SUI BIT IN
  MODI DIVERSI. I DISPOSITIVI LINEARI MODIFICANO I
  SEGNALI DI INGRESSO UNO PER UNO MENTRE I
  DISPOSITIVI NON LINEARI FANNO INTERAGIRE I
  SEGNALI DI INGRESSO CHE LI ATTRAVERSANO. I
  CIRCUITI EFFETTUANO CALCOLI MEDIANTE LA
  RIPETIZIONE A GRAN VELOCITA DI POCHE E SEMPLICI
  OPERAZIONI LINEARI E NON LINEARI.
• UNA DI QUESTE OPERAZIONI ELEMENTARI E LA
  COMMUTAZIONE DI UN BIT EQUIVALENTE ALLOPERAZIONE
  LOGICA NOT. UNALTRA E COPY CHE ASSEGNA AL BIT
  SUCCESSIVO IL VALORE DEL PRECEDENTE. QUESTE
  OPERAZIONI SONO ENTRAMBE LINEARI PERCHE IL
  RISULTATO DIPENDE DAL VALORE DI UN SINGOLO
  INGRESSO. AND INVECE E UNOPERAZIONE NON LINEARE
  PERCHE LUSCITA DIPENDE DA QUALCHE TIPO DI
  INTERAZIONE TRA GLI INGRESSI. I DISPOSITIVI CHE
  EFFETTUANO QUESTE OPERAZIONI SONO CHIAMATE PORTE
  LOGICHE.

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• VERSO LA FINE DEGLI ANNI CINQUANTA SI RIUSCIRONO
  AD EFFETTUARE SEMPLICI OPERAZIONI LOGICHE
  QUANTISTICHE SU DUE BIT USANDO LO SPIN DELLE
  PARTICELLE MA DATO CHE QUESTI STUDIOSI NON
  PENSAVANO ALLA LOGICA QUANTISTICA CHIAMARONO IL
  FENOMENO DOPPIA RISONANZA IN REALTA ESSI
  USAVANO LA DOPPIA RISONANZA PER EFFETTUARE LE
  OPERAZIONI LINEARI NOT E COPY.
• IN SEGUITO BARENCO, DAVID DI VINCENZO DELLA IBM,
  TYCHO SLEATOR DELLA NEW YORK UNIVERSITY E HARVALD
  WEINFURTER DELLUNIVERSITA DI INNSBRUCK HANNO
  DIMOSTRATO COME SI POSSA SFRUTTARE LA DOPPIA
  RISONANZA ANCHE PER CREARE UNA PORTA AND.
• CON QUESTE PORTE LOGICHE QUANTISTICHE COLLEGATE
  TRA LORO SI POTREBBE COSTRUIRE UN COMPUTER
  QUANTISTICO.

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IL PROBLEMA DEI COLLEGAMENTI

• COLLEGARE FRA LORO DUE PORTE A DOPPIA RISONANZA
  E COSA DIFFICILISSIMA IL CAVO DEVE ESSERE IN
  GRADO DI SMONTARE LATOMO PER SPOSTARE A VOLONTA
  ELETTRONI E PROTONI E POI DI RICOMPORLO E TUTTO
  SENZA MODIFICARE LO SPIN DELLE PARTICELLE.
• ESISTONO PERO ALTRE SOLUZIONI AL PROBLEMA DEI
  COLLEGAMENTI J. IGNACIO CIRAC DELLUNIVERSITA
  DI CASTIGLIA-LA MANCIA IN SPAGNA E PETER ZOLLER
  DELLUNIVERSITA DI INNSBRUCK HANNO PROPOSTO UNO
  SCHEMA CHE ISOLEREBBE I QBIT IN UNA TRAPPOLA
  IONICA. PRIMA DELLELABORAZIONE UN BIT SAREBBE
  TRASFERITO SU UN REGISTRO COMUNE O BUS.
  LINFORMAZIONE IN ESSO CONTENUTA SAREBBE
  RAPPRESENTATA DA UN MOTO OSCILLATORIO DI TUTTI
  GLI IONI DELLA TRAPPOLA.
• IL GRUPPO DI WINELAND AL NIST HA COMPIUTO IL
  PRIMO PASSO VERSO LA REALIZZAZIONE DI QUESTO
  CALCOLATORE QUANTISTICO ESEGUENDO OPERAZIONI
  LINEARI E NON LINEARI SU BIT CODIFICATI TRAMITE
  IONI E TRAMITE IL MOTO OSCILLATORIO. CI SONO
  BUONE PROSPETTIVE DI COSTRUIRE CALCOLATORI A
  TRAPPOLA IONICA CON POCHE DECINE O CENTINAIA DI
  BIT.

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COMPUTER QUANTISTICOI VANTAGGI
UN CALCOLATORE QUANTISTICO CON MOLTEOPERAZIONI
LOGICHE SU MOLTI QUBIT DAREBBERISULTATI SOTTO
FORMA DISOVRAPPOSIZIONE DI TUTTELE USCITE
POSSIBILI DIQUESTO CALCOLO. ESSOESEGUE QUINDI
TUTTI I CALCOLI IN UNA VOLTA, QUESTO FENOMENO
E STATOCHIAMATOPARALLELISMO QUANTISTICO
SI POTREBBE USARE UN CALCOLATOREQUANTISTICO
PERSIMULARE ILCOMPORTAMENTO DIQUALSIASI
SISTEMAQUANTISTICO
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COMPUTER QUANTISTICOGLI SVANTAGGI
POICHE I CALCOLATORI QUANTISTICI DOVREBBERO
ESSERE FATTI DI MILIONI DIATOMI BASTEREBBE
DISTURBARNE UNO PERCOMPROMETTERE
LACOERENZAQUANTISTICA
I DIVERSI SISTEMI USATIPER REGISTRARE
EDELABORARE LINFORMAZIONE SONO SOGGETTI A
DISTURBI CHEPOSSONO ALTERARE I BITA CASO. I
METODI CLASSICIDI CORREZIONE DEGLIERRORI
RICHIEDONO LAMISURAZIONE DEI BIT MAIN UN
CALCOLATOREQUANTISTICO QUESTAOPERAZIONE
PORTEREBBEA PERDITA DI COERENZA