A differenza dei computer classici, che elaborano le informazioni utilizzando bit rappresentati dagli stati on/off dei transistor, i computer quantistici utilizzano bit quantistici (o qubit) per memorizzare e manipolare le informazioni. I qubit sono governati dalle leggi della meccanica quantistica piuttosto che dalla fisica classica, consentendo ai processori quantistici di funzionare in modi fondamentalmente diversi. In un computer quantistico, le informazioni sono codificate negli stati quantistici dei qubit, che possono esistere in combinazioni di stati attraverso il principio di sovrapposizione. I qubit possono anche essere correlati tra loro attraverso l'entanglement.

Queste proprietà quantistiche consentono ai computer quantistici di affrontare determinati problemi che sono impraticabili o impossibili da risolvere in modo efficiente con le macchine classiche. Un qubit è essenzialmente un sistema quantistico a due livelli con caratteristiche uniche e potenti che costituiscono la base dell'elaborazione delle informazioni quantistiche. I qubit possono essere implementati fisicamente utilizzando una varietà di piattaforme quantistiche, tra cui circuiti superconduttori, ioni intrappolati, atomi neutri, fotonica integrata e sistemi di spin basati sul silicio, ciascuno dei quali offre diversi vantaggi per la costruzione di processori quantistici scalabili.

Nei computer classici, le informazioni vengono memorizzate ed elaborate in binario, il che significa che i singoli bit possono rappresentare solo due valori: "0" o "1". A differenza del bit classico, in cui le informazioni sono rappresentate dagli stati "acceso" o "spento" di un transistor, un qubit non è limitato solo agli stati "0" o "1". Può infatti trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente. Questo fenomeno è un concetto fondamentale della fisica quantistica, noto come sovrapposizione. Matematicamente, possiamo rappresentare lo stato del qubit (indipendentemente da una particolare implementazione fisica) come un punto su una sfera unitaria, nota come sfera di Bloch, dove lo stato fondamentale 0 si trova sul "polo nord" e lo stato eccitato 1 sul "polo sud". Questo stato di sovrapposizione può anche estendersi a un intero registro di qubit in un fenomeno noto come entanglement, che è l'elemento necessario per conferire all'unità di elaborazione quantistica (QPU) il suo vantaggio computazionale rispetto alle controparti classiche. Il numero di stati quantistici che una QPU può rappresentare è scalabile come 2N.

Le prestazioni migliorate dei computer quantistici rispetto a quelli classici si traducono in applicazioni in diversi settori, tra cui: crittografia e sicurezza informatica, scoperta di farmaci e scienza e progettazione dei materiali, ottimizzazione della catena di approvvigionamento, intelligenza artificiale e apprendimento automatico, modellizzazione climatica ed energia, chimica e fisica computazionale e servizi finanziari.

Per molti casi d'uso pratici, le unità di elaborazione quantistica (QPU) possono essere considerate come acceleratori di simulazione specializzati. Piuttosto che sostituire i computer classici, è probabile che vengano integrate nei flussi di lavoro esistenti per eseguire passaggi specifici che sono classicamente irrisolvibili, come la simulazione di sistemi quantistici complessi o l'esplorazione di vasti spazi di soluzioni. Questo approccio ibrido consente ai sistemi quantistici e classici di lavorare insieme, massimizzando i punti di forza di ciascuno.

Gli errori di calcolo convenzionali si verificano in genere a causa dell'inversione imprevista di uno o più bit. Sono state sviluppate strategie di correzione degli errori per correggere queste inversioni di bit e riportare il sistema allo stato previsto. Oggi, la correzione degli errori di calcolo classica non è solitamente necessaria e viene utilizzata quando un guasto sarebbe catastrofico e/o quando il computer si trova in un ambiente che è più soggetto a introdurre errori, come nel caso delle missioni spaziali.

La perdita di coerenza quantistica, nota come decoerenza, deriva dal collasso delle sovrapposizioni quantistiche in stati classici quando vengono misurate. Ciò avviene indipendentemente dal fatto che si tratti di una misurazione intenzionale da parte di un osservatore o causata dal rumore proveniente dall'ambiente. Il sistema quantistico non è in grado di distinguere la differenza. A causa della presenza della decoerenza, gli ingegneri quantistici che costruiscono un computer quantistico devono affrontare i seguenti aspetti:

1. Il registro dei qubit deve essere isolato sia elettromagneticamente che termicamente dall'ambiente circostante, evitando scambi di energia indesiderati.
2. Le operazioni sui qubit (ovvero i gate a uno e due qubit) devono essere veloci rispetto al tempo di decoerenza.
3. Le misurazioni dei qubit (lettura) devono essere rapide e non devono alterare lo stato quantistico (non distruttive).

Misurare il tempo di coerenza dei qubit è quindi uno dei compiti fondamentali in qualsiasi laboratorio quantistico. Fornisce informazioni importanti sulla qualità del qubit stesso e della sua schermatura, sul suo funzionamento tramite porte quantistiche e sulle caratteristiche della lettura dei qubit.

Le proprietà uniche della sovrapposizione e dell'entanglement consentono prestazioni prima inimmaginabili in applicazioni quantistiche come l'informatica, la comunicazione e il rilevamento. La sovrapposizione deriva dalla natura probabilistica della meccanica quantistica e persiste fintanto che il sistema non viene osservato o misurato. Una volta effettuata la misurazione, lo stato quantistico collassa in un unico risultato definito. Questo comportamento può essere visualizzato utilizzando la sfera di Bloch, dove lo stato di un qubit corrisponde a un punto sulla superficie di una sfera unitaria. Per i qubit superconduttori, le misurazioni vengono tipicamente eseguite lungo l'asse z che collega i poli nord e sud. Uno stato in uno dei due poli produce un risultato definito (0 o 1), mentre uno stato sull'equatore comporta probabilità uguali di misurare entrambi i valori.

L'entanglement amplifica ulteriormente queste capacità stabilendo forti correlazioni tra i qubit, in modo tale che lo stato di ciascun qubit non possa essere descritto indipendentemente dagli altri. Questa interconnessione consente alle operazioni quantistiche di agire su molti qubit contemporaneamente in modo altamente coordinato, producendo effetti di interferenza che migliorano i risultati corretti e sopprimono quelli errati. La potenza di calcolo di un'unità di elaborazione quantistica (QPU) deriva da questo comportamento collettivo: un registro di N qubit entangled è descritto da 2ᴺ coefficienti, consentendo al sistema di rappresentare e manipolare contemporaneamente uno spazio esponenzialmente ampio di possibilità. Di conseguenza, gli algoritmi quantistici possono esplorare molte potenziali soluzioni in parallelo, offrendo notevoli guadagni in termini di efficienza rispetto agli approcci classici per determinate classi di problemi.

Diverse importanti aziende tecnologiche hanno ormai dimostrato il vantaggio quantistico: la capacità dei computer quantistici di risolvere problemi che sarebbero praticamente impossibili da risolvere per i supercomputer classici. Gli algoritmi quantistici riducono drasticamente il tempo di elaborazione necessario per eseguire complesse simulazioni Monte Carlo e consentono valutazioni del rischio altamente sofisticate in grado di tenere conto di variabili precedentemente ingestibili.

Mentre l'informatica quantistica per uso generico rimane ancora un obiettivo lontano, i processori quantistici specializzati stanno già affrontando problemi di ottimizzazione per applicazioni commercialmente rilevanti che hanno un impatto diretto sulle operazioni aziendali. Si prevede che ci vorranno almeno cinque anni per affermare il vantaggio quantistico come fattore di differenziazione competitiva sostenibile attraverso approcci proprietari.

La comunicazione quantistica è un metodo di trasmissione delle informazioni che utilizza i principi della meccanica quantistica, consentendo una trasmissione sicura delle informazioni. La comunicazione quantistica può essere ottenuta attraverso vari metodi, tra cui la distribuzione quantistica delle chiavi (QKD), il teletrasporto quantistico e l'entanglement quantistico. Qualsiasi tentativo di intercettare o spiare la trasmissione causerebbe il collasso dello stato quantistico, avvisando sia il mittente che il destinatario della violazione della sicurezza.