Quantum Computing Spiegato: Come Funzionano i Qubit e Perché è Importante Adesso

Un computer classico memorizza le informazioni in bit che sono 0 o 1, come un interruttore che è acceso o spento. Un computer quantistico utilizza invece qubit, che secondo la spiegazione ufficiale di IBM sul quantum computing possono rappresentare 0, 1 o una combinazione ponderata di entrambi contemporaneamente. Quella proprietà, chiamata sovrapposizione, è una delle ragioni per cui le macchine quantistiche possono esplorare molte possibili risposte a determinati problemi simultaneamente piuttosto che una alla volta.

La Fisica Dietro la Macchina

IBM identifica quattro effetti meccanici quantistici che rendono possibile il quantum computing: sovrapposizione, entanglement, interferenza e decoerenza. L'entanglement collega i qubit in modo che misurare uno rivela informazioni su un altro, anche quando i due sono fisicamente separati. L'interferenza permette a un circuito quantistico di amplificare le risposte corrette e cancellare quelle sbagliate, nello stesso modo in cui le onde sovrapposte possono potenziarsi o cancellarsi reciprocamente. La decoerenza è l'effetto opposto – gli stati quantistici che collassano in valori classici ordinari – ed è l'ostacolo principale che gli ingegneri devono sopprimere per mantenere utile un processore quantistico, secondo IBM.

I qubit possono essere costruiti da diversi sistemi fisici, inclusi circuiti superconduttori raffreddati a vicino allo zero assoluto, ioni intrappolati, punti quantici e fotoni. I processori quantistici di IBM si basano su circuiti superconduttori perché possono essere fabbricati e controllati con tecniche di fabbricazione dei chip esistenti, secondo IBM.

Un Vantaggio Verificabile: Chip Willow di Google

Il 22 ottobre 2025, Google ha annunciato che il suo processore Willow a 105 qubit aveva prodotto quello che l'azienda ha chiamato il primo vantaggio quantistico verificabile, utilizzando un algoritmo che ha chiamato Quantum Echoes, secondo il post ufficiale del blog di Google. L'algoritmo invia un segnale in un set di qubit, perturba uno di essi, quindi inverte l'evoluzione del segnale per ascoltare un 'eco' amplificato creato dall'interferenza costruttiva.

Google ha riportato che Quantum Echoes è stato eseguito 13.000 volte più velocemente su Willow rispetto al miglior algoritmo classico conosciuto in esecuzione su uno dei supercomputer più veloci del mondo. L'azienda ha sottolineato che, a differenza della sua affermazione di supremazia quantistica del 2019, questo risultato è 'verificabile' – può essere ripetuto su hardware quantistico comparabile e controllato in modo incrociato, piuttosto che fare affidamento su un compito di campionamento senza modo indipendente per confermare l'output.

In collaborazione con ricercatori dell'Università della California, Berkeley, Google ha utilizzato l'algoritmo per studiare segnali di risonanza magnetica nucleare (NMR) da molecole contenenti 15 e 28 atomi, indicando possibili usi futuri nella scoperta di farmaci, materiali per batterie e nella progettazione di nuovi qubit, secondo lo stesso annuncio di Google.

Il Percorso di IBM Da 'Utilità' a Tolleranza ai Difetti

IBM distingue tra diversi stadi di progresso. L'azienda afferma di aver raggiunto l''utilità quantistica' nel 2023, nel senso che i suoi processori quantistici potevano superare i metodi di approssimazione classici su compiti specifici. IBM ha affermato di aspettarsi di raggiungere il 'vantaggio quantistico' – superando tutti i metodi classici conosciuti su un problema pratico – entro la fine del 2026, secondo la propria panoramica del quantum computing dell'azienda.

Oltre a ciò, IBM ha pubblicato una roadmap verso il quantum computing tollerante ai guasti, dove gli errori vengono rilevati e corretti prima di corrompere un calcolo. La roadmap descrive un chip chiamato Quantum Loon rilasciato nel 2025 con connettività qubit aggiunta per esperimenti di prova di concetto verso codici qLDPC ad alta velocità, un modulo chiamato Quantum Kookaburra pianificato per il 2026 che memorizza le informazioni utilizzando la memoria quantistica a bassa densità di parità (qLDPC), e un sistema chiamato Starling mirato al 2029 che IBM afferma dovrebbe eseguire 100 milioni di gate quantistici su 200 qubit logici. L'approccio di correzione degli errori di IBM utilizza quello che chiama 'codici bicicletta bivariati', incluso un 'codice lordo [[144,12,12]]' che l'azienda afferma necessita approssimativamente dieci volte meno qubit fisici rispetto ai metodi di codice di superficie precedenti per ottenere la stessa protezione dagli errori.

Perché la Crittografia È Già in Fase di Riscrittura

I computer quantistici sono importanti al di là del laboratorio a causa dell'algoritmo di Shor, un metodo matematico pubblicato da Peter Shor nel 1994 che dimostra che un computer quantistico sufficientemente potente potrebbe fattorizzare grandi numeri – e quindi violare la crittografia RSA ampiamente utilizzata – molto più velocemente di qualsiasi computer classico, come notano le panoramiche di IBM.

Quel rischio non è ipotetico per gli enti di standardizzazione. Il 13 agosto 2024, il National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti ha finalizzato i suoi primi tre standard di crittografia post-quantistica: FIPS 203 (ML-KEM) per la crittografia generale, e FIPS 204 (ML-DSA) e FIPS 205 (SLH-DSA) per le firme digitali, secondo l'annuncio ufficiale del NIST. Il matematico del NIST Dustin Moody ha affermato che le organizzazioni dovrebbero 'iniziare a integrarli nei loro sistemi immediatamente, perché l'integrazione completa richiederà tempo.'

Cosa I Computer Quantistici Non Sono

I materiali di IBM sottolineano che i computer quantistici non sono semplicemente versioni più veloci di computer ordinari; sono adatti a classi specifiche di problemi – come la simulazione di molecole, reazioni chimiche e determinati compiti di ottimizzazione o machine learning – dove il numero di variabili interagenti diventa troppo grande per i computer classici per tracciare in modo efficiente. Per compiti quotidiani come l'elaborazione di testi o la navigazione web, i computer classici rimangono di gran lunga più pratici.