Quantum Computing, il Futuro della Computazione con i Calcolatori Quantici

A cura di Luciano Magaldi.

Nel mondo in rapida evoluzione della tecnologia, il quantum computing, insomma, i computer quantistici, rappresentano una delle più grandi promesse per il futuro della computazione. Mentre i tradizionali computer basati su transistor utilizzano il linguaggio binario per elaborare dati in bit, i computer quantistici sfruttano i princìpi della meccanica quantistica per elaborare informazioni in qubit, che possono rappresentare sia 0 che 1 contemporaneamente.

Questo potrebbe aprire la strada a nuovi livelli di potenza di calcolo e risolvere problemi altrimenti irrisolvibili per i computer convenzionali. I calcolatori quantici sfruttano il principio fondamentale della sovrapposizione quantistica, che consente ai qubit di esistere in uno stato ibrido di 0 e 1 contemporaneamente.

Questo consente un’enorme capacità di elaborazione in parallelo e può affrontare compiti che richiedono una quantità enorme di calcoli in modo molto più efficiente rispetto ai calcolatori tradizionali. Inoltre, i computer quantistici utilizzano anche l’entanglement quantistico, che consente ai qubit di essere correlati in modo che lo stato di uno influenzi immediatamente lo stato degli altri, indipendentemente dalla distanza spazio/tempo che li separa.

I calcolatori quantistici hanno il potenziale di rivoluzionare diverse industrie e campi di studio. Una delle applicazioni più promettenti è la simulazione di sistemi complessi, come molecole e materiali: infatti, potrebbero aiutare a sviluppare nuovi farmaci, migliorare le batterie, ottimizzare i processi chimici e persino affrontare i cambiamenti climatici.

Inoltre, i computer quantici potrebbero essere estremamente utili nella crittografia e nella sicurezza informatica. La loro capacità di eseguire rapidamente algoritmi complessi potrebbe mettere in discussione gli attuali metodi crittografici, spingendo verso lo sviluppo di nuove tecniche di crittografia quantistica molto più sicure.

Altre potenziali applicazioni includono l’ottimizzazione dei percorsi per il trasporto e la logistica, l’intelligenza artificiale avanzata, la finanza computazionale e lo studio delle reti complesse.

Nonostante il loro potenziale rivoluzionario, i calcolatori quantistici affrontano ancora numerose sfide tecniche e scientifiche. Uno dei principali ostacoli è l’instabilità dei qubit: questi bit quantici sono particolarmente sensibili all’ambiente fisico circostante e alle fluttuazioni magbnetiche e/o gravaitazionali, rendendo difficile mantenerli in uno stato coerente per lunghi periodi di tempo: il loro l’entanglement quantico è estremamente delicato e può essere facilmente interrotto dalle predette interferenze esterne.

Un’altra sfida è la scalabilità dei sistemi quantistici. Attualmente, i computer quantistici disponibili sono costituiti da un numero limitato di qubit, che limita la complessità dei problemi che possono essere risolti. Tuttavia, gli scienziati stanno facendo progressi nella costruzione di calcolatori quantici sempre più grandi e più stabili, utilizzando diversi approcci, come i bit quantici basati su superconduttori, ioni intrappolati e gli atomi neutri.

In conclusione, la nascente informatica quantistica rappresentano una frontiera emozionante nell’àmbito della tecnologia e potrebbero aprire nuove opportunità in vari settori.

Sebbene le sfide tecniche siano ancora significative, gli scienziati e gli ingegneri stanno facendo sempre maggiori progressi nel superare gli ostacoli e nello sviluppo di calcolatori quantici sempre più potenti e affidabili. Con il tempo, potremmo assistere a una rivoluzione nella computazione quantistica che trasformerà radicalmente la nostra capacità di risolvere problemi complessi e migliorare la nostra comprensione del mondo che ci circonda.

 

Scienze, Produzione di Adroni con Quark Pesanti e il loro Legame con la Molteplicità di Particelle Cariche nelle Collisioni Protone-Protone

A cura di Luciano Magaldi.

Le misurazioni della produzione di adroni contenenti quark pesanti (cioè charm o beauty) nelle collisioni “protone-protone (pp)” forniscono un importante test sull’accuratezza dei calcoli perturbativi della cromodinamica quantistica (pQCD).

La produzione di quark pesanti avviene in collisioni iniziali ad alta energia tra quark e gluoni, mentre la produzione di quark leggeri nell’evento di fondo è dominata da processi a bassa energia. Pertanto, misurare la produzione di adroni con quark pesanti in funzione della molteplicità di particelle cariche fornisce informazioni sull’interazione tra meccanismi ad alto e basso impatto energetico nella produzione delle particelle.

Le misurazioni nelle collisioni pp ad alta molteplicità hanno mostrato caratteristiche che ricordano quelle associate alla formazione del plasma di quark-gluoni nelle collisioni tra ioni pesanti, come l’aumento della produzione di particelle con contenuto di stranezza e la modifica del rapporto di produzione barione-mesone in funzione del momento trasverso (pT).

Questi effetti possono essere spiegati da due diversi tipi di modelli: modelli statistici di adronizzazione, che valutano la popolazione di stati adronici in base a pesi statistici governati dalle masse degli adroni e da una temperatura universale, o modelli che includono l’adronizzazione tramite la ricombinazione di quark e gluoni vicini nello spazio delle fasi.

Entrambi prevedono un aumento del rapporto barione-mesone e del rapporto adrone “strano-non strano” in funzione della molteplicità di particelle cariche.

Nel settore del charm, la collaborazione in ALICE ha recentemente osservato una dipendenza dalla molteplicità del rapporto Λc+/D0 differenziale rispetto a pT, che evolve gradualmente dalle collisioni pp alle collisioni piombo-piombo, mentre non è stata osservata alcuna dipendenza per la resa di produzione del mesone Ds+.

Misurazioni di questi fenomeni nel campo dei quark beauty sono necessarie per gettare ulteriore luce sul meccanismo di adronizzazione.

Per investigare la produzione di quark beauty in funzione della molteplicità e metterla in relazione con quella dei quark charm, ALICE ha misurato per la prima volta la frazione di D0 e D+ originati dal decadimento di adroni beauty (indicati come “non prompt”) in funzione del momento trasverso e della molteplicità di particelle cariche nelle collisioni pp a 13 TeV, utilizzando i dati del Run 2.

La misurazione sfrutta diverse topologie dei vertici di decadimento dei mesoni D prompt e non prompt con tecniche di classificazione basate sull’apprendimento automatico. Le frazioni di mesoni D non prompt sono state osservate aumentare leggermente con pT, passando da circa il 5% al 10%, come previsto dai calcoli della pQCD (vedi foto).

Sono state misurate frazioni simili in diversi intervalli di molteplicità di particelle cariche, suggerendo una dipendenza dalla molteplicità assente o solo lieve. Ciò suggerisce un meccanismo di produzione simile per i quark charm e beauty in funzione della molteplicità.

L’eventuale influenza del meccanismo di adronizzazione è stata indagata confrontando le frazioni misurate di mesoni D non prompt con le previsioni basate su generatori di Monte Carlo come PYTHIA 8.

Si è osservata una buona accordo con diverse configurazioni di PYTHIA, con e senza l’inclusione del meccanismo di riconnessione del colore oltre l’approssimazione del colore dominante (CR-BLC), introdotto per descrivere la produzione di barioni charm nelle collisioni protone-protone.

Solo la configurazione CR-BLC “Modalità 3”, che prevede un aumento/diminuzione dell’adronizzazione nei barioni per i quark beauty ad alta molteplicità, è sfavorevole rispetto ai dati attuali.

Le misurazioni dei mesoni D non prompt rappresentano un importante test per i modelli di produzione e adronizzazione nei settori charm e beauty, aprendo la strada a future misurazioni di adroni beauty ricostruiti in modo esclusivo nelle collisioni protoni-protoni in funzione della molteplicità di particelle cariche.