00:00Buongiorno e benvenuti al Caffè Bor
00:02Questo è il primo video della serie dedicata ai computer quantistici, dove vi parlerò, appunto, dei computer quantistici from Zero to Hero, cioè partendo veramente dalle basi, come farò in questo video, quindi descrivendo che cosa sono, per esempio, i qubit, fino ad arrivare a concetti più complessi come quelli degli algoritmi quantistici, dell'hardware quantistico, come funziona, come avviene la correzione degli errori quantistici e così via
00:24Sarà una serie di video che definirò anche man mano che prosegue e, se volete fare anche delle domande, fatele nei commenti
00:32Cercherò di includere una risposta a queste domande nei video successivi, non saranno però magari consecutivi, quindi saranno frammezzati questi video da altri video, invece dedicati ad altri aspetti della fisica, come faccio di solito
00:46Questo video, come dicevo, sarà dedicato ai qubit e introdurrò in questo video anche molti dei concetti fondamentali che darò poi per scontati, ovviamente, nei video successivi
00:57Premesso ciò, non perdetevi questo video
01:04[Musica] Ben ritrovati al Caffè Bor! Partiamo facendo una breve introduzione della storia dei computer quantistici e dello sviluppo delle
01:13Tecnologie che ha portato, appunto, ai computer quantistici di oggi
01:18Sebbene la moderna teoria della meccanica quantistica sia stata sviluppata nei termini che conosciamo negli anni '20, quindi sviluppando concetti come quello della sovrapposizione degli stati, dell'entanglement quantistico, della dualità onda-particella, è solamente nel 1980 che Paul Benioff sviluppò una cosiddetta macchina quantistica di Turing che usava la teoria quantistica per descrivere un computer semplificato, successivamente con lo sviluppo di veri e propri computer classici digitali che venivano utilizzati dai Fisici, per realizzare simulazioni di sistemi fisici quantistici, ci si accorse che questi possedevano un grande limite, dovuto all'esplosione esponenziale della difficoltà di realizzare questi calcoli
02:07Infatti, il problema di risolvere le equazioni che descrivono il comportamento delle particelle quantistiche, per esempio degli atomi, diventa esponenzialmente più complesso con l'aumentare del numero delle particelle coinvolte, e fu proprio per questo limite intrinseco dei computer classici che i fisici Yuri Manin e Richard Feynman svilupparono l'idea, indipendentemente, di Realizzare dei computer quantistici in modo da simulare, e quindi realizzare i calcoli in modo efficiente e rapido, di sistemi quantistici anche molto complessi e molto estesi, quindi con migliaia o milioni di atomi e di particelle
02:54Successivamente, il concetto di utilizzare dei componenti quantistici per realizzare dei computer e quindi eseguire dei calcoli venne ripreso anche da altri scienziati per elaborare degli algoritmi e applicandolo anche a sistemi, per esempio, di crittografia, dimostrando come sarebbe stato possibile aumentare la sicurezza informatica, utilizzando, appunto, Questi protocolli basati su un hardware quantistico, fu così che tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90 molti teorici svilupparono nuovi algoritmi, come per esempio nel 1994 il famoso algoritmo di Shore
03:31A livello tecnologico, però, vi furono ben più difficoltà e fu solo nel 1998 che venne realizzato, ideato e realizzato il primo prototipo di computer quantistico basato su solamente due cubit fisici
03:46Nel corso dei decenni, poi, grazie anche alla ricerca scientifica e al progresso delle tecnologie, come per esempio a quella dei superconduttori, dei laser, delle pinze ottiche per controllare
04:01Gli atomi, proprio a livello microscopico, in maniera precisa e rapida, è stato possibile realizzare computer quantistici sempre più grandi, sempre più complessi e precisi, arrivando ad esempio a quello di Google del 2019 con ben 54 qubit
04:20In questi anni, poi, lo sviluppo dei computer quantistici sta seguendo una traiettoria quasi esponenziale, arrivando ad oggi addirittura a rendere possibile l'accesso via cloud ad alcuni dei più importanti computer quantistici, come per esempio quelli di Google e IBM
04:39Partiamo quindi dalle basi dei computer quantistici, ovvero i qubit
04:42Come saprete, i computer classici si basano su dei mattoncini fondamentali per immagazzinare le informazioni, per eseguire i calcoli che le CPU, cioè appunto i chip all'interno del computer, realizzano, e questi sono i bit
05:00I computer quantistici, invece, hanno un loro analogo quantistico chiamato Quantum bit, ovvero cubit
05:08Ma qual è la differenza fondamentale tra bit e cubit, cioè tra bit classico e bit quantistico? Ora, i bit sono cifre binarie che possono assumere solamente il valore 0 oppure 1 e vengono, eh, salvate, per così dire, all'interno di dispositivi elettronici come, per esempio, i transistor, quindi i computer
05:34Utilizzano i bit come base per costruire il loro linguaggio, un po' come noi utilizziamo le lettere dell'alfabeto per il nostro linguaggio, per scrivere, per esempio, un articolo o un libro, e utilizziamo le cifre da 0 a 9, invece, per eseguire dei calcoli e delle espressioni matematiche, potendo assumere i bit, però, solamente due valori, 0 oppure 1, devono quindi essere combinati per poter descrivere ogni possibile numero, ovvero ogni possibile informazione, così come anche le lettere e così via per farlo, e ogni cosa, quindi ogni lettera, ma anche ogni numero, viene rappresentata da una sequenza di cifre
06:16binarie, quindi una sequenza di bit che assumano il valore 0 oppure 1
06:21Ad esempio, il numero 2 verrà scritto come 1 0, mentre il numero 3 viene scritto come 1 1 e così via, cioè viene utilizzato il sistema binario, a differenza invece di quello che utilizziamo quotidianamente per fare i calcoli, che è quello decimale
06:41I qubit vengono tipicamente rappresentati come degli stati quantistici, spesso descritti dalla lettera greca PSI, all'interno di un'espressione chiamata "ket", per indicare, appunto, che si tratta di uno stato quantistico
06:59I qubit poi non solo possono assumere i valori 0 e 1, ma anche una Qualsiasi combinazione di 0 e 1 con diverse probabilità, questa caratteristica viene chiamata sovrapposizione, o sovrapposizione di stati, nel senso che il qubit può assumere contemporaneamente sia il valore 0 che il valore 1, e solamente quando lo andiamo ad osservare, vedremo se ha il valore zero oppure il valore 1 con diverse probabilità, un po' come ad esempio viene descritto dall'esperimento mentale del gatto di Schrodinger, in cui il gatto è sia vivo che morto fino a quando non apriamo la scatola e guardiamo se effettivamente il gatto è vivo oppure è morto, quindi ad esempio per il gatto di
07:50Schrödinger, posso scrivere che il gatto è uguale a gatto vivo più gatto morto, diviso radice di 2, dove questo diviso radice di 2 sta a significare il fatto che, eh, la probabilità, appunto, di trovare il gatto vivo o il gatto morto è 1/2, cioè 0,5, ovvero 50%
08:12In modo del tutto simile, posso scrivere che uno stato quantistico, ovvero un qubit, è uguale a 0 + 1 / √2, cioè che si troverà sia nello stato 0 che nello stato 1 con 50% di probabilità
08:29Tuttavia, lo stesso risultato lo posso ottenere scrivendo anche 0 - 1 / √2, questo perché in realtà c'è un significato più profondo rispetto a quello della probabilità, e infatti è legato alla Dualità, se vogliamo, onda particella e al concetto di interferenza tra questi stati
08:52Un'altra proprietà dei qubit, che deriva direttamente dalla loro natura quantistica, è il cosiddetto entanglement, o appunto accoppiamento, intrecciamento quantistico
09:04Cioè, se abbiamo due o più qubit, è possibile collegarli tra di loro facendoli interagire in modo che il destino di uno sia legato al destino dell'altro, quindi, per esempio, possiamo fare sì che se un qubit vale zero, quell'altro vale uno e viceversa, scrivendo quindi lo stato quantistico di due qubit come 01 + 1 0 / √2
09:35Esiste anche un modo pratico che è è stato sviluppato per rappresentare i qubit, che è molto importante e utile anche per capire vari aspetti e varie operazioni fra i qubit, ovvero, mentre i bit classici possono assumere, come detto, solamente due valori, 0 oppure 1, e quindi questi possono essere rappresentati come due punti su di una retta, ad esempio, i qubit sono più complessi, perché possono assumere qualsiasi combinazione con numeri complessi di questi due valori, 0 e 1
10:09Pertanto, i qubit possono essere espressi come dei punti su di una sfera in tre dimensioni, o meglio, come un vettore, cioè una freccia che parte dal centro di questa sfera e
10:24Indica, appunto, un punto sulla sua superficie, questa sfera chiamata sfera di Bloch
10:30È posizionata all'interno di uno spazio tridimensionale con degli assi cartesiani, cioè delle rette che indicano le tre direzioni X, Y e Z
10:40Tipicamente il valore zero del qubit è associato al valore lungo l'asse verticale, cioè lungo l'asse Z, corrispondente al valore +1, mentre il valore del qubit 1 è posto all'estremità opposta, quindi lungo l'asse Z, ma verso il basso, nel valore -1
11:05Quindi se, per esempio, il qubit ha un valore definito, per esempio lo stato PS è uguale a 0, allora questo sarà descritto da una freccia che
11:13Punta verso l'alto, verso l'asse delle Z, e identifica il punto, appunto, più in alto
11:21Se invece il qubit è descritto dallo stato psi = 1, questa freccia punta verso il basso
11:27Se si trova poi in una sovrapposizione di stati più complessa, come 0 + 1 / √2, allora questo punterà lungo l'asse delle X in corrispondenza del punto +1 lungo l'asse X
11:42Viceversa, se invece è 0 - 1 / √2, questo punterà verso l'asse delle X, ma in direzione opposta, quindi con il valore -1, e così via
11:53Qualsiasi combinazione di 0 e 1 con numeri complessi può essere rappresentato da un punto qualsiasi di questa sfera
12:02Infine, se due qubit sono fra loro Entangled possono ancora essere rappresentati come delle sfere di Bloch con questa rappresentazione, ma diventa molto più complessa e in realtà perde parte della sua utilità, per cui non ne parlerò in questo video
12:21Non solo, quelli descritti fino ad ora sono dei qubit, degli stati cosiddetti puri, cioè che possono, appunto, essere scritti con questa notazione in questo modo e rappresentati come punti su questa sfera di Bloch
12:37Tuttavia, soprattutto nell'ambito della computazione quantistica, gli stati non sempre possono essere descritti in questo modo, ci sono gli stati più complessi che invece possono Essere descritti solamente con un altro strumento chiamato matrice densità, cioè devono essere descritti come delle matrici di numeri
12:59Si dice che gli stati, in questo caso, sono misti o in inglese "mixed"
13:05Ora, io non entrerò in questa descrizione in questo video perché è troppo complessa e non fondamentale per la comprensione dei video successivi, ma se volete approfondire il concetto, potete andare a vedere un altro video che vi lascio qui su e in descrizione, dove ho parlato della miscela classica degli Stati entangled che quindi non possono essere scritti nel modo che vi dicevo prima, che serve poi
13:30Per risolvere un apparente paradosso legato all'entanglement, una differenza fondamentale tra i qubit e i bit classici è quello legato al concetto di misura
13:44Cioè, mentre i bit hanno solamente il valore o zero oppure uno, e sempre quello rimane, questo non avviene per i qubit
13:53Infatti, abbiamo visto che i qubit possono essere in una sovrapposizione di stati, cioè assumere contemporaneamente sia il valore zero che il valore uno
14:01Però, proprio come nel caso del gatto di Schrödinger, quando osserviamo questo qubit smette di comportarsi in maniera quantistica e diventa simile ad un bit classico, assumendo quindi Solamente uno dei due valori, ad esempio, quello effettuato quando andiamo a osservare il qubit, è una misura
14:24Ora, facendo riferimento sempre all'immagine della sfera di Bloch, fare una misura significa identificare una direzione, quindi prendere una retta e proiettare, cioè far cadere la freccia che identifica il qubit sulla sfera, far cadere questa freccia sulla direzione, nella direzione che abbiamo scelto, quindi, per esempio, molto facilmente, se il qubit è nello stato zero, se noi scegliamo l'asse verticale, cioè l'asse Z, e facciamo una misura, cioè proiettiamo questa freccia lungo Quell'associazione verticale otterremmo zero
15:24Tuttavia, nella misura possiamo ottenere solo o lo stato 0 o lo stato 1, e quindi o il valore +1 o il valore -1, nessun altro valore intermedio
15:37E allora cosa succede? Che facendo questa misura otterremo, ad esempio, il valore +1 e quindi lo stato diventerà 0, però con una probabilità del 50%, e quindi ripetendo l'esperimento tante volte e facendo questa misura, il 50% delle volte otterremo il valore +1 e il 50% delle volte otterremo il valore -1; di conseguenza, la media fa proprio 0 e ci identifica con precisione quello stato
16:05In realtà no, perché, come detto, la Stessa cosa avviene per lo stato 0 - 1/√2, anche se si trova lungo l'asse X, ma in direzione opposta
16:16Quindi, come possiamo distinguere fra di loro due qubit, due stati quantistici diversi? Beh, non solo dobbiamo ripetere più misure, ma dobbiamo farlo con misure diverse, quindi non possiamo sempre misurare il loro valore lungo l'asse Z, ma lo dobbiamo misurare, per esempio, anche lungo l'asse X e lungo l'asse Y
16:36In questo modo, possiamo differenziare fra di loro tutti gli stati possibili, cioè tutti i punti sulla sfera di Bloch
16:45Una conseguenza importante, come anticipato, è che con una misura di uno stato Quantistico, questo stato quantistico cambia, perché se prima si trovava in una sovrapposizione di stati, una volta misurato, diventa un bit classico
17:00Ah, cioè solamente uno degli stati che misuriamo esiste
17:04Però, un problema fondamentale che affligge i cubit, e cioè gli errori quantistici, ed è una piaga, se vogliamo, dei computer quantistici, è il limite più grosso fino ad ora allo sviluppo dei computer quantistici
17:20La difficoltà è quella di far mantenere ai cubit il loro valore, infatti, se anche prepariamo un cubit nello stato iniziale zero in modo preciso, dopo poco tempo, e per poco tempo intendo millesimi o milionesimi addirittura di secondo, questo stato non sarà più esattamente zero, ma sarà cambiato, e quindi sulla sfera di Bloch, la freccia, cioè il vettore che indica, eh, questo qubit, lo stato di questo qubit, non sarà più esattamente verso l'alto in direzione verticale, ma si sarà spostata in una direzione casuale, cioè, cioè è stato introdotto un errore e abbiamo perso l'esattezza dell'informazione di quel qubit
18:04È un po' come se, leggendo un documento sul vostro computer in PDF, ad esempio, le lettere col tempo cambiassero in modo casuale, beh, allora quel documento diventerebbe ...parleremo, però, degli errori quantistici e del modo in cui gli scienziati stanno cercando di risolvere questi errori in un video successivo, e per questo video è tutto
18:30Nel prossimo video vedremo come i computer quantistici utilizzano i qubit per realizzare delle operazioni, i cosiddetti gate o porte logiche fra qubit, per poi eseguire delle operazioni, per esempio, fra dei numeri come le somme, in modo analogo a quello che i computer classici fanno con i bit, appunto, per realizzare le operazioni
18:54Quindi, se non volete perdervi i prossimi video di questa serie, iscrivetevi al canale e Cliccate sulla campanella in modo da poter vedere, ad esempio, sulla app di YouTube, quando sarà uscito il prossimo video
19:05Spero che questo video vi sia piaciuto, in questo caso lasciate un like e condividetelo con i vostri amici
19:11Noi ci vediamo nei prossimi video
19:13Ciao, alla prossima!
