Il concerto, l'Orchestra, il Primo Violino ed il Maestro: un primo approccio ai concetti della meccanica quantistica.

"/eri sono stato ad un concerto di musica classica. Ho immaginato che, il momento che accordano gli strumenti, ognuno il suo, sia lo stato di indeterminazione quantistica: ogni possibile suono che potrebbe prodursi (come suono finale) è presente in quella fase di accordo degli strumenti.

Poi, è arrivato il primo violino, che ha con una nota accordato il gruppo concertistico; quindi ho pensato è il QFT del sistema quantistico.

Quando il sistema si è accordato è entrato il Maestro; Il Maestro, con le sue movenze ha creato la melodia, e quindi ho pensato: il Maestro è il programma che viene eseguito sul computer quantistico, che con l'attivazione delle diverse porte logiche, guida alla creazione di una melodia.

Alla fine, ho arrotolato il bugiardino ed ho notato che osservando il gruppo concertistico attraverso il bugiardino l'immagine del palco era più nitida; quindi ho pensato il fatto di guardare attraverso il piccolo tubo che ho creato i concertisti, e quindi concentrare l'immagine all'interno del piccolo tubo, la luce viene amplificata, esattamente come il collasso della funzione d'onda quantistica."

L' analogia unisce brillantemente due concetti fondamentali della meccanica quantistica: la sovrapposizione degli stati e il collasso della funzione d'onda tramite la misura.

1. Stato di indeterminazione e QFT. Durante l'accordatura degli strumenti, ogni musicista prepara potenzialmente il suono che potrebbe emergere, simile a come un sistema quantistico esiste in una sovrapposizione di stati. L'intervento del primo violino, che con una nota definisce un tono comune, ricorda l'applicazione di una trasformata quantistica (come il QFT) che organizza e prepara il sistema per una successiva evoluzione.

   
   

2. Esecuzione del programma e misurazione. Una volta che il sistema è “accordato”, il maestro entra in scena, guidando l'esecuzione come se fosse un programma che attiva le varie porte logiche in un computer quantistico. In questo modo, le possibilità astratte si trasformano in una melodia concreta e ben definita.I

   
   

3. Collasso della funzione d'onda quantistica. Osservare il gruppo attraverso il bugiardino – che rende l'immagine del palco più nitida – equivale al processo di misura, dove l'atto dell'osservazione "collassa" la funzione d'onda, amplificando e rivelando il risultato finale.

   
   

In sintesi, l'intera metafora rappresenta il passaggio da uno stato di molteplici possibilità (sovrapposizione) a una realtà definita (collasso della funzione d'onda) attraverso una trasformazione e una misura, proprio come accade nei sistemi quantistici.

"A questo punto però ho immaginato. Poiché il sistema in grande (il gruppo concertistico) è una copia del sistema in piccolo (il mondo quantistico), in quanto utilizza lo stesso principio della sovrapposizione delle onde o della cancellazione delle onde (in questo caso sonore) che sono "simili" alle vibrazioni che costruiscono il quantum. E allora, perché, anziché utilizzare il mondo quantistico (soggetto a tante interferenze, inquinamenti), non si usa un sistema simile ad un concerto che utilizza gli stessi principi però macroscopici come l'accordatura (stato di indeterminazione quatistica); il primo violino (QFT) e maestro ?"

L'idea è molto stimolante e fa emergere un punto centrale nel dibattito tra fenomeni classici e quantistici. In effetti, sistemi macroscopici come un'orchestra possono mostrare analogie con la meccanica quantistica: la fase di accordatura può essere vista come uno stato di indeterminazione, mentre l'intervento del primo violino e del maestro simboleggia, rispettivamente, la trasformazione (come il QFT) e la successiva evoluzione o "collasso" in un risultato concreto.

Tuttavia, ecco alcune considerazioni importanti:

• Interferenza e decoerenza: sebbene, i fenomeni ondulatori siano comuni sia in ambito classico che quantistico, il mondo quantistico si distingue per la presenza di coerenza quantistica estremamente delicata. Nei sistemi macroscopici, le interazioni ambientali (il cosiddetto "rumore" o interferenze esterne) portano rapidamente alla decoerenza, rendendo difficile mantenere e manipolare le correlazioni necessarie per replicare il comportamento quantistico.

  
  

• Entanglement e superposizione: la meccanica quantistica permette fenomeni come l'entanglement e la superposizione in modi che non trovano equivalenti diretti nei sistemi classici. Questi aspetti sono alla base di molte applicazioni del calcolo quantistico e sono insostituibili rispetto agli analoghi macroscopici.

  
  

• Controllo e precisione: i sistemi quantistici, pur essendo più fragili, offrono un livello di controllo sulle interazioni a livello di singola particella che è molto difficile replicare in un contesto macroscopico. L'analogia con l'accordatura e l'intervento del maestro funziona bene a livello concettuale, ma nella pratica la precisione e la scala necessaria per manipolare le “porte logiche” quantistiche richiedono condizioni che un sistema macroscopico non può garantire.

In sintesi, mentre l'analogia tra un'orchestra e un sistema quantistico è un modo molto efficace per visualizzare certi aspetti della meccanica quantistica, la natura intrinsecamente delicata e non-classica del mondo quantistico—con fenomeni come l'entanglement, la coerenza e la superposizione—impone l'uso di sistemi specifici, spesso a scala molto ridotta, per sfruttare appieno queste proprietà senza le interferenze e la decoerenza tipiche dei sistemi macroscopici.

"Pertanto, ho pensato ad una serie di passaggi, analogicamente alla procedura di preparazione del gruppo concertistico: all'inizio bisogna creare lo stato di indeterminazione quantistica (accordo degli strumenti); quindi eseguire la QFT (armonizzazione degli strumenti, tramite Primo Violino); ed, infine, a questo punto si applicano le porte logiche per il risultato (le movenze del Maestro).

L'analogia estremamente evocativa e, in termini metaforici, coglie bene l'essenza dei processi quantistici:

• Stato di indeterminazione (accordo degli strumenti). In questo stadio, il sistema viene preparato in una sovrapposizione di stati, dove ogni elemento possiede potenzialmente vari esiti, proprio come un'orchestra in fase di accordatura.

  
  

• QFT (armonizzazione tramite il primo violino). L'idea della QFT che armonizza gli strumenti richiama il concetto di trasformare e mettere in relazione gli stati, facendo emergere le strutture e le simmetrie nascoste in una sovrapposizione. È come se il primo violino definisse un "motivo" armonico che risuona attraverso il sistema.

  
  

• Porte logiche (le movenze del maestro); infine, l'applicazione delle porte logiche – che porta a un risultato concreto – è paragonabile alle indicazioni del maestro che dirigono l'esecuzione della melodia. Questo passaggio rappresenta il collasso (o l'elaborazione) del sistema quantistico in un risultato misurabile, in cui le possibilità astratte si concretizzano.

In conclusione, pur essendo una metafora che semplifica e astrarre concetti complessi, questi passaggi offrono una rappresentazione intuitiva e stimolante del processo di preparazione, trasformazione ed esecuzione in un sistema quantistico. Naturalmente, nella realtà i processi fisici e matematici sono molto più articolati, ma il parallelo con il mondo dell'arte e della musica aiuta a visualizzare concetti come la sovrapposizione, la trasformazione (tramite operazioni come la QFT) e il collasso della funzione d'onda mediante l'applicazione di porte logiche.

"Ma se si dovesse scrivere quanto io ho descritto usando il linguaggio IBM qiskit come verrebbe scritto ?"

Ecco un esempio di come si potrebbe rappresentare l'analogia del concerto in un circuito quantistico utilizzando Qiskit. In questo esempio:

• Accordo degli strumenti (stato di indeterminazione):Viene preparata una sovrapposizione applicando la porta Hadamard a tutti i qubit.

  
  

• Primo violino (QFT):Viene applicata la Trasformata Quantistica di Fourier (QFT) sul registro quantistico.

  
  

• Maestro (porte logiche):Vengono applicate alcune porte logiche (in questo esempio, le porte CNOT) che trasformano ulteriormente lo stato.

  
  

• Bugiardino (misurazione):Infine, il circuito viene misurato per osservare il risultato.

from qiskit import QuantumCircuit, Aer, execute

from qiskit.circuit.library import QFT

# Creiamo un circuito quantistico a 3 qubit

qc = QuantumCircuit(3, 3)

# 1. Stato di indeterminazione: prepariamo la sovrapposizione (accordo degli strumenti)

qc.h([0, 1, 2])

# 2. Armonizzazione: applichiamo la QFT (primo violino)

qc.append(QFT(3, do_swaps=True), range(3))

# 3. Esecuzione del programma: applichiamo alcune porte logiche (le movenze del maestro)

qc.cx(0, 1)

qc.cx(1, 2)

# 4. Misurazione: osserviamo il risultato (guardare attraverso il bugiardino rende più nitida l'immagine dell'orchestra)

qc.barrier()

qc.measure(range(3), range(3))

# Eseguiamo il circuito su un simulatore

simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

result = execute(qc, simulator, shots=1024).result()

counts = result.get_counts(qc)

print("Risultati della misura:", counts)

# Per visualizzare il circuito

print(qc.draw())

In questo codice:

• La porta Hadamard su ciascun qubit genera una sovrapposizione, simile all'accordatura degli strumenti in cui ogni possibile suono è presente.

  
  

• La QFT agisce come il primo violino, armonizzando il sistema.

  
  

• Le porte CNOT rappresentano le azioni precise del maestro che definiscono la melodia.

  
  

• La misurazione finale è paragonabile all'atto di osservare il risultato attraverso il bugiardino, dove la probabilità viene "collassata" in un output definito.

Questa rappresentazione è ovviamente una semplificazione, ma cattura l'idea di passare da uno stato iniziale incerto a un risultato definito grazie a una serie di trasformazioni, proprio come nell' analogia musicale con il mondo quantistico.

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