MA ABBIAMO IDEA DI CHE COSA SIANO I COMPUTER QUANTISTICI? E IL GATTO DI SCHROEDINGER?
Il Nobel assegnato a Aspect, Clauser e Zeilinger ci dà lo spunto per provare a esplorare un argomento scientifico le cui basi vennero poste ormai quasi un secolo fa.
LA MECCANICA QUANTISTICA
Il computer quantistico si basa sulle leggi della meccanica quantistica, in opposizione al computer classico che noi conosciamo che si basa sui principi della fisica tradizionale (newtoniana/einsteiniana).
Le leggi della meccanica quantistica si applicano alle particelle elementari e in generale agli oggetti molto piccoli, mentre le leggi della fisica classica si applicano ad oggetti di dimensioni relativamente grandi, i quali non risentono degli effetti quantistici che invece caratterizzano il comportamento delle particelle.
In particolare sono tre le proprietà quantistiche che interessano la computazione quantistica:
- la sovrapposizione,
- la correlazione (entanglement),
- l’interferenza.
Tutte e tre queste proprietà di un sistema quantistico sono figlie della dualità particella/onda che li caratterizza.
La sovrapposizione
Consiste nel fatto che le particelle possono avere allo stesso tempo due stati (0 e 1, spin up e spin down, ad esempio) fino a quando non le osservo: il famoso gatto di Schroedinger che è al contempo morto e vivo, fino a quando non apriamo la scatola in cui è chiuso decoerentizzando lo stato di sovrapposizione e facendo sì che il gatto sia o vivo o morto.
Ciò rimanda alla funzione d’onda della particella che attribuisce diversi stati alla particella stessa con diversi gradi di probabilità.
La correlazione
Stabilisce una stretta dipendenza reciproca tra lo stato di due particelle per cui, ad esempio, se una ha uno spin orario l’altra ne avrà uno antiorario; se cambio lo spin di una delle due particelle l’altra invertirà il suo immediatamente, indipendentemente dalla distanza che intercorre tra le due.
Questa non-località per cui le proprietà delle particelle si trasmettono immediatamente oltre la velocità della luce è ciò che la faceva definire ad Einstein “azione spettrale a distanza”, e, per la verità, pur essendo stata comprovata empiricamente da infiniti esperimenti, resta tutt’ora abbastanza misteriosa.
L‘interferenza
Asserisce che una particella non solo può essere in due posti diversi, ma che la sua onda può creare un fenomeno per cui interferisce anche con sé stessa o con altre onde creando dei picchi dove i picchi dell’onda si sommano e degli avvallamenti dove gli avvallamenti si incontrano con gli avvallamenti (proprio come un’onda d’acqua).
I picchi rappresentano i punti dove è più probabile trovare la particella, mentre gli avvallamenti dove è meno probabile.
I computer quantistici sfruttano tutte queste proprietà delle particelle.
BIT e QUBIT
Se l‘unità elementare del computer classico è il bit che può essere rappresentato da qualsiasi sostrato fisico che possa avere due stati: acceso spento, 1 e 0, alto e basso e via dicendo, l’unità elementare del computer quantistico è il qubit che ha due stati contemporaneamente: 1+0.
Quindi un computer con 10 qubit può rappresentare 2 alla 10 stati (1024), mentre con 10 bit di un computer classico posso rappresentare 10 alla seconda stati (100).
Questo divario cresce esponenzialmente con il numero dei qubit che ho a disposizione.
Per farsi un’idea della potenza di calcolo che si possono raggiungere con i computer quantistici basti considerare che con 70 qubit si possono rappresentare tutti i dati digitali su tutti i device del pianeta oggi esistenti, raggiungendo la supremazia quantistica, cioè la possibilità di eseguire calcoli non eseguibili con i computer classici.
Con più di 300 qubit opportunamente correlati si avrebbero più stati di quante siano le particelle dell’universo conosciuto, (il che spalanca le porte a temi ontologici non irrilevanti).
Allo stato attuale dell’arte sono stati costruiti computer fino a circa 50 qubit.
Evidentemente l’implementazione di macchine quantistiche presenta enormi difficoltà sia sul versante dell’Hardware che in quello del Software.
L’Hardware infatti deve essere separato dagli utenti e dall’ambiente in modo perfetto per evitare l’interferenza del sistema con l’ambiente e il conseguente venir meno delle sue proprietà quantistiche (decoerenza). Inoltre ad oggi sono necessari molti più qubit fisici dei qubit logici per la correzione degli errori del sistema: fino a 1000 qubit fisici per qubit logico senza errori (ridondanza dei sistemi).
Sul versante del Software c’è il tema dell’implementazione di algoritmi che sfruttino le caratteristiche dei sistemi quantistici, che non sono, vale la pena di ricordarlo ancora, una semplice evoluzione degli elaboratori classici.
APPLICAZIONI DEI COMPUTER QUANTISTICI
Il primo a parlare di computer quantistici è stato Richard Feynman, ma l’interesse per la loro realizzazione si è acceso veramente solo dopo la scoperta da parte di Peter Shor dell’algoritmo che porta il suo nome e che dimostra come con un computer quantistico di sufficiente potenza sia possibile risolvere il problema della fattorizzazione dei primi di un numero intero (dato un intero quali sono i numeri primi che moltiplicati tra loro danno quel numero).
Questo problema è sostanzialmente intrattabile per grandi numeri da parte di un computer classico, mentre con un computer quantistico è di soluzione relativamente facile.
Saranno necessari ancora molti anni (probabilmente oltre 10), e la capacità di implementare un HW di milioni di qubit correlati, prima che i computer quantistici siano in grado di trovare i primi di un numero a 2048 bit, ma ovviamente la possibilità teorica di farlo ha destato l’interesse sia di chi deve proteggere i dati sia di chi vorrebbe infrangere il codice, contribuendo così allo sviluppo della ricerca.
miniaturizzazione dei circuiti e delle loro componenti è ormai così spinta (legge di Moore) che tra poco cominceranno a sviluppare comportamenti quantistici (in questo caso indesiderati) che alzeranno il numero degli errori dei computer classici stessi.
Quali altre applicazioni dei computer quantistici sono al momento in fase di sviluppo oltre al puro calcolo?
Sicuramente una delle applicazioni più promettenti è la simulazione dei sistemi le cui caratteristiche dipendono dalla meccanica quantistica, quindi lo studio dei materiali innovativi, la bio-medica, la simulazione di micro componenti, lo sviluppo di computer quantistici più potenti, i sistemi di crittografia e, infine, l’ottimizzazione della logistica e la ricerca nei data-base.
Ringraziamo per il contributo Paolo Riccardo Felicioli