Un algoritmo quantistico è un insieme di istruzioni per computer per analizzare 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 uno e uno zero in logica binaria. In senso stretto, un algoritmo quantistico richiede il funzionamento di un computer quantistico, che non esiste in alcuna 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 di 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 dei set di istruzioni per computer nell’informatica quantistica, sono apprezzati per la loro capacità di agire come una sorta di scorciatoia per l’elaborazione dei problemi e, quindi, la risoluzione dei problemi a livello di microchip. Nel calcolo probabilistico standard, a tutti i possibili stati per le soluzioni dei problemi deve essere assegnato un valore di distribuzione e su tutti vengono eseguiti calcoli per determinare quale risposta o valore ha la più alta probabilità di essere corretto. Nel calcolo quantistico che utilizza l’algoritmo di Deutsch, ogni possibile stato di soluzione viene combinato in quello che è noto come un vettore unitario che si sposta verso un tipo specifico di soluzione o trasformazione di stato. Ciò si basa su un principio noto come sovrapposizione quantistica applicato alla matematica, in cui ci si aspetta che le soluzioni ai problemi esistano in tutti i possibili stati contemporaneamente, eliminando essenzialmente la necessità di lunghe elaborazioni logiche probabilistiche.
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 la fattorizzazione matematica 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 ai classici algoritmi 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 di calcolo standard. L’algoritmo quantistico di Shor prende il nome da Peter Shor, un professore americano di matematica che lo sviluppò nel 1994, e l’algoritmo quantistico di Grover prende il nome da Lov Grover, un informatico indiano-americano che lo sviluppò nel 1996.
Uno degli aspetti unici dell’informatica quantistica è che i calcoli non si basano su valori discreti che possono essere separati arbitrariamente, 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 è entangled l’uno con l’altro. Ciò rende ogni punto dati interdipendente e non un valore discreto come nel calcolo tradizionale, che è il fondamento di come gli algoritmi quantistici possono essere molto più veloci nell’elaborazione dei dati rispetto agli algoritmi tradizionali.