Le proprietà dei Qbit: Superposition

Nel video del capitolo precedente abbiamo visto che la prima proprietà che caratterizza la natura quantistica del Qbit è la possibilità di assumere uno stato che è una coesistenza continua e contemporanea dei due stati fondamentali chiamati 0 e 1 in analogia con i bit classici. Questo tipo di stato, che non ha corrispondenza nell’informatica classica, è chiamato superposition.

Una delle proprietà fondamentali della meccanica quantistica è l’impossibilità di misurare, e quindi osservare direttamente, lo stato di superposition.

Da un punto di vista matematico possiamo descrivere e quantificare uno stato di superposition attraverso i due valori alfa e beta del vettore di stato, ma da un punto di vista fisico e pratico non è possibile misurare queste due grandezze. Ogni volta che semplicemente osserviamo il Qbit lo stato collassa in uno dei due valori classici 0 oppure 1.

Si noti che ciò non dipende dal metodo utilizzato per misurare o osservare lo stato. Si tratta di un preciso e ineluttabile postulato della meccanica quantistica. Lo stato di superposition non è direttamente misurabile. Qualunque interazione porta al collasso dello stato in uno stato deterministico che è di tipo classico.

Ma se lo stato di superposition non è mai osservabile, come facciamo a sapere che esiste realmente? E, se esiste realmente, come possiamo determinare i due valori alfa e beta che descrivono tale stato?

Alla prima domanda risponderemo nel prossimo capitolo, dove mostreremo che sono osservabili sperimentalmente alcune conseguenze dello stato di superposition. In particolare l’interferenza, che è la seconda importante proprietà dei Qbit, è spiegabile solo con il fatto che un Qbit possa trovarsi in uno stato di superposition.

Alla seconda domanda risponderemo con l’esperimento del video in questa pagina. Poiché i due valori del vettore di stato sono matematicamente interpretabili come le radici quadrate delle probabilità che il Qbit collassi nello stato 0 oppure nello stato 1 in una osservazione, sarà sufficiente preparare un Qbit e portarlo per tante volte nello stesso stato di superposition, cioè in uno stato con valori alfa e beta sempre uguali al caso precedente, ed effettuare la misura. Dopo un numero abbastanza elevato di misure, possiamo contare per quante volte abbiamo misurato 0 e per quante volte abbiamo misurato 1 e stimare di conseguenza il valore delle rispettive probabilità.

Per condurre l’esperimento, mostreremo come creare un account gratuito sul sistema Quantum Experience dell’IBM e come utilizzare gli strumenti dell’informatica quantistica per creare un “circuito quantistico” in cui porteremo un Qbit nello stato di superposition in cui 0 e 1 siano egualmente probabili, cioè abbiano il 50% di possibilità di essere misurati, e quindi invieremo questo primo schema di circuito quantistico ad un computer quantistico reale, della serie IBM Q, chiedendo di eseguire l’elaborazione del circuito per alcune migliaia di volte, osservando ad ogni esecuzione il valore finale del Qbit.

Il risultato atteso sarà 0 per il 50% dei casi circa e 1 per il restante 50%.