Qubit, cos'è, come funziona e perché è l'unità del calcolo quantistico

Tutto il calcolo quantistico poggia su un solo mattone, il qubit. Capire che cos'è, come si comporta e in cosa differisce dal bit tradizionale è il passaggio obbligato per chiunque voglia valutare seriamente le tecnologie quantistiche, dal ricercatore al decisore aziendale.

In questa pagina rispondiamo alle domande più frequenti, dalla definizione di qubit alla matematica che lo descrive, dalle tecnologie con cui viene costruito nei laboratori al problema della misura e della fragilità, fino alla distinzione tra esemplari fisici e logici e a come sperimentare concretamente senza possedere un computer quantistico, grazie all'emulazione quantistica, il terreno su cui HumanQ sviluppa già oggi progetti concreti.

Ogni sezione risponde a una domanda reale di ricerca, così da poter essere letta anche singolarmente.

Che cos'è un qubit?

Il qubit o qbit, contrazione di quantum bit, è l'unità elementare dell'informazione quantistica, è un sistema fisico a due livelli distinguibili, convenzionalmente indicati come |0⟩ e |1⟩, governato dalle leggi della meccanica quantistica. La differenza sostanziale rispetto a ogni supporto informativo classico è che i due stati o livelli non si escludono a vicenda, perché finché il sistema resta isolato esso può occupare una combinazione dei due stati, con pesi che l'algoritmo quantistico può manipolare. Il termine fu introdotto dal fisico Benjamin Schumacher negli anni Novanta e oggi identifica sia l'astrazione matematica sia il dispositivo concreto che la realizza. Una trattazione enciclopedica è disponibile su Wikipedia. Vale una precisazione terminologica, dato che nella letteratura italiana si incontra anche la dicitura bit quantistico, perfettamente equivalente, e in questa guida i due termini sono usati come sinonimi.

Qual è la differenza tra bit e qubit?

Il bit classico è un interruttore che in ogni istante può valere 0 oppure 1, e leggere il suo valore non lo modifica. L'omologo quantistico è invece descritto da due ampiezze complesse e vive in uno spazio continuo di stati possibili (è potenzialmente entrambe i valori 0 e 1), mentre la lettura, cioè la misura, lo costringe a scegliere uno dei due valori e distrugge l'informazione intermedia.

La conseguenza più importante è combinatoria, perché n bit contengono una sola configurazione tra 2ⁿ, mentre n qubit descrivono simultaneamente tutte le 2ⁿ configurazioni tramite le rispettive ampiezze. È questa crescita esponenziale dello spazio degli stati, unita all'entanglement quantistico, la risorsa tecnologica che nessun server classico oggi possiede.

Come si rappresenta matematicamente lo stato quantistico?

Lo stato di un qubit ha una rappresentazione geometrica molto elegante, la sfera di Bloch, in cui ogni punto della superficie corrisponde a uno stato possibile. I poli rappresentano gli stati classici 0 e 1, mentre tutti gli altri punti sono sovrapposizioni, e le porte logiche a ingresso singolo si visualizzano come rotazioni del vettore sulla sfera.

Le porte a coppia di qubit, come la CNOT, generano invece correlazioni non classiche tra due sfere, ed è da queste correlazioni che nasce l'entanglement. La sezione dedicata a come funziona un computer quantistico mostra come queste rotazioni compongano interi algoritmi per lo sviluppo di calcolo quantistico.

Il formalismo dello stato puro

Lo stato puro si scrive |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, con la condizione di normalizzazione |α|² + |β|² = 1. Una parametrizzazione più espressiva usa gli angoli della sfera di Bloch, |ψ⟩ = cos(θ/2)|0⟩ + e^iφ sin(θ/2)|1⟩, dove θ e φ individuano un punto sulla superficie della sfera e la fase globale è fisicamente irrilevante. Le porte a singolo qubit sono quindi rotazioni unitarie di questo vettore.

Cosa significa essere in sovrapposizione di stati?

La sovrapposizione quantistica è spesso raccontata come "essere 0 e 1 allo stesso tempo", ma la formulazione rigorosa è più sottile, perché il sistema possiede ampiezze non nulle su entrambi gli esiti, e tali ampiezze possono interferire tra loro come onde, sommandosi o cancellandosi.

Gli algoritmi quantistici sfruttano proprio l'interferenza per amplificare le risposte corrette e sopprimere quelle errate; la sovrapposizione non è quindi un trucco di parallelismo gratuito, dato che estrarre il risultato richiede di modellare le fasi con precisione, ed è il motivo per cui progettare algoritmi quantistici efficaci è un lavoro a sé. Un esempio tipico è l'algoritmo di Deutsch-Jozsa, in cui una sola interrogazione, orchestrata sulle fasi, risolve un problema che classicamente richiederebbe invece almeno la metà + 1 delle verifiche possibili, mostrando in modo scientifico e sperimentale la logica di tutti gli approcci a interferenza.

Come si realizzano fisicamente i qubit?

Qualunque sistema quantistico a due livelli controllabile può fungere da qubit, e la corsa industriale ha selezionato alcune piattaforme principali.

• Circuiti superconduttori raffreddati a millikelvin, la via seguita da IBM e Google.
• Ioni intrappolati manipolati con laser, la via di IonQ e Quantinuum.
• Atomi neutri in pinzette ottiche.
• Fotoni in circuiti fotonici.
• Spin di elettroni in semiconduttori, la via più affine all'industria dei chip.

Ogni tecnologia offre un compromesso diverso tra fedeltà delle operazioni, velocità, connettività e scalabilità, e nessuna ha ancora stabilito una tecnologia sovrastante sulle altre. Centri di ricerca europei e italiani, coordinati anche dalla Quantum Flagship, lavorano su più piattaforme in parallelo. Alle famiglie citate si aggiungono approcci ibridi e topologici, ancora sperimentali, che promettono protezione intrinseca dagli errori.

Cosa succede al momento della misura?

La misurazione è l'atto che riporta il mondo quantistico a quello classico, perché interrogare il sistema nella base computazionale restituisce 0 con probabilità |α|² e 1 con probabilità |β|², secondo la regola di Born, e da quell'istante lo stato coincide con l'esito osservato. Quindi l'informazione contenuta nelle ampiezze non è più leggibile direttamente, e per questo motivo che un algoritmo ben progettato concentra la probabilità sull'esito utile prima di attivare la misurazione. A questo infine si aggiunge la decoerenza, la misura involontaria operata dalle interferenze dell'ambiente e che degrada lo stato in tempi brevissimi. Questo è il principale motivo che costringe a confinare in estremo isolamento l'hardware fisico.

I tempi di coerenza nel mondo fisico variano enormemente tra le diverse piattaforme, dai microsecondi dei circuiti superconduttori ai secondi, e oltre, degli ioni intrappolati, ed è entro questa finestra che l'intero circuito deve completarsi, ragione per cui velocità delle porte e durata della coerenza vanno sempre lette insieme.

Perché servono i qubit logici e la correzione degli errori?

I dispositivi fisici sono rumorosi, dato che ogni porta introduce un piccolo errore e la decoerenza fa il resto. La correzione degli errori quantistici risolve il problema codificando l'informazione in modo ridondante, facendo cooperare molti qubit fisici per rappresentare un solo qubit logico, protetto e affidabile. I rapporti attuali variano da decine a migliaia di unità fisiche per ogni esemplare logico, a seconda del codice usato e della qualità dell'hardware impiegato. Questo è il motivo per cui il conteggio grezzo di un processore dice ben poco sulle prestazioni del sistema, perché contano la qualità dei qubit e quanti qubit logici se ne possono ricavare a sua volta.

Quanti qubit hanno oggi i computer quantistici?

La domanda va disambiguata prima di poterle rispondere, perché il termine qubit designa due grandezze molto diverse fra loro. Infatti sul piano dei qubit fisici la soglia del migliaio è stata superata già alla fine del 2023, quando IBM ha presentato il processore Condor con 1121 unità superconduttive e le piattaforme ad atomi neutri hanno raggiunto numeri paragonabili; la stessa IBM ha però dichiarato prestazioni comparabili a quelle del precedente Osprey da 433 unità, a conferma del fatto che quel traguardo riguardava la resa di fabbricazione e la densità del chip e ben diversa dalla potenza di calcolo effettivamente disponibile. Sul piano dei qubit logici, ossia le unità protette dalla correzione degli errori (e le sole che contino per un algoritmo di profondità), i risultati verificati si collocano invece ancora nell'ordine delle decine, con le migliori dimostrazioni pubblicate nel biennio 2024-2026 comprese fra poche unità e il centinaio, ottenute spendendo da alcune decine ad alcune centinaia di qubit fisici per ciascun esemplare logico, a seconda del codice adottato.

Nel mondo fisico siamo dunque ancora nell'era NISQ, cioè in una fase rumorosa, non corretta e adatta a esperimenti e prototipi più che alla produzione, le roadmap dei principali produttori collocano i primi sistemi con qualche centinaio di qubit logici corretti verso la fine del decennio, ma le stime vanno lette con prudenza, perché la scalabilità della correzione d'errore è essa stessa una sfida di ricerca ancora molto aperta.

A titolo di completezza va ricordato inoltre che per problemi industriali reali serviranno migliaia di esemplari logici, ovvero milioni di componenti fisici, un traguardo tuttora lontano che rende perciò più preziose le alternative disponibili oggi, a partire dall'emulazione, dove i circuiti si sviluppano e si validano senza attendere l'incertezza di quell'hardware.

Il numero di qubit è l'unica metrica che conta?

No, ed è una semplificazione da cui diffidare. Le metriche rilevanti includono la fedeltà delle porte, cioè quanto ogni operazione è accurata, i tempi di coerenza, cioè quanto a lungo lo stato sopravvive, la connettività, cioè quali coppie possono interagire direttamente, la profondità di circuito eseguibile e metriche aggregate come il volume quantistico. Un processore con poche unità eccellenti può superare in utilità uno strumento con molte limitazioni tecniche. Chi valuta questi progetti dovrebbe sempre indagare queste cifre, e diffidare dei confronti costruiti sul solo conteggio di qubit, poichè spesso e solo marketing anzichè ingegneria. Le stesse metriche valgono, specularmente, per giudicare la qualità di un ambiente di emulazione.

Come si sperimenta con i qubit senza hardware quantistico?

La risposta è l'emulazione quantistica, in cui un'infrastruttura classica ad alte prestazioni riproduce esattamente l'algebra dei qubit, permettendo di costruire circuiti, ispezionare gli stati intermedi, cosa impossibile su hardware reale dove la misura è immediatamente anche distruttiva, attivare modelli di rumore controllati e ripetere ogni esecuzione in modo deterministico.

L'emulazione quantistica è lo strumento ideale per formazione, ricerca e prototipazione industriale, ed è esattamente il terreno su cui HumanQ sviluppa i propri progetti di emulazione quantistica, con un principio guida preciso, cioè mantenere il focus su ciò che si può sviluppare già oggi, invece di attendere un hardware che maturerà con tempi e costi ancora molto incerti.

Rispetto alla simulazione quantistica di sistemi fisici, l'emulazione replica la teoria del calcolo non la macchina fisica (simulazione). Sul piano operativo, il sistema di emulazione consente anche di confrontare fianco a fianco versioni diverse dello stesso circuito, misurando come cambiano fedeltà e profondità, un ciclo di ottimizzazione che sull'hardware reale avrebbe costi e tempi proibitivi e che in emulazione si chiude invece in poche ore di lavoro preparatorio.