Che cos'è un algoritmo quantistico?
Un algoritmo quantistico è un insieme di istruzioni informatiche per l'analisi dei problemi che non si basa su calcoli matematici o probabilistici classici, ma utilizza invece la natura unica della realtà quantistica in cui un singolo bit di dati può rappresentare due valori opposti, come ad esempio uno e uno zero in logica binaria. Nel senso più stretto, un algoritmo quantistico richiede un computer quantistico per funzionare, che non esiste in nessuna forma fabbricata a partire dal 2011. L'informatica teorica, tuttavia, ha almeno creato analoghi al vero calcolo dell'algoritmo quantistico a partire dal 2011, con esempi come come gli algoritmi Deutsch, Shor e Grover.
L'algoritmo quantistico Deutsch è stato inventato nel 1985 e prende il nome dal fisico israeliano-britannico David Deutsch che lavora all'Università di Oxford nel Regno Unito. L'algoritmo di Deutsch, come la maggior parte delle istruzioni per computer nell'informatica quantistica, è apprezzato per la sua capacità di agire come una sorta di scorciatoia per elaborare i problemi e, quindi, risolvere i problemi a livello di microchip. Nel calcolo probabilistico standard, a tutti gli stati possibili per soluzioni ai problemi deve essere assegnato un valore di distribuzione e vengono eseguiti calcoli su tutti loro per determinare quale risposta o valore ha la più alta probabilità di essere corretti. Nel calcolo quantistico usando l'algoritmo Deutsch, ogni possibile stato della soluzione è combinato in quello che è noto come un vettore unitario che si sposta verso un tipo specifico di soluzione o trasformazione dello stato. Ciò si basa su un principio noto come sovrapposizione quantistica applicato alla matematica, in cui ci si aspetta che soluzioni a problemi esistano simultaneamente in tutti gli stati possibili, eliminando sostanzialmente la necessità di un lungo processo logico probabilistico.
Gli algoritmi quantistici di Shor e Grover agiscono in modo simile, ma sono progettati per tipi specifici di elaborazione del computer. L'algoritmo Shor viene utilizzato per il factoring matematico e l'algoritmo Grover per la ricerca di dati significativi in elenchi computerizzati o database privi di una struttura definibile. Sebbene entrambi gli algoritmi siano eseguiti su sistemi informatici classici che eseguono tipi standard di elaborazione, è stato dimostrato che il loro design è di gran lunga superiore agli algoritmi classici basati sulla probabilità per gli stessi tipi di attività. L'algoritmo di Shor è esponenzialmente più veloce e quello di Grover è quadraticamente più veloce, o di un valore al quadrato più veloce della metodologia informatica standard. L'algoritmo quantistico Shor prende il nome da Peter Shor, un professore di matematica americano che lo sviluppò nel 1994, e l'algoritmo quantistico di Grover prende il nome da Lov Grover, uno scienziato informatico indiano-americano che lo sviluppò nel 1996.
Uno degli aspetti unici del calcolo quantistico è che i calcoli non si basano su valori discreti che possono essere arbitrariamente separati, ma esistono invece in uno stato di entanglement quantistico. I valori standard in un calcolo entrano in uno stato di sovrapposizione in cui sono tutti manipolati in modo esponenziale come ampiezze o intervalli di valore e si dice che ogni bit o qubit di informazione sia intrecciato tra loro. Ciò rende ogni punto dati interdipendente e non un valore discreto come nel calcolo tradizionale, che è la base di come gli algoritmi quantistici possono essere molto più veloci nell'elaborazione dei dati rispetto agli algoritmi tradizionali.