Un’onda silenziosa ma altissima sta arrivando e potrebbe cambiare la nostra vita quotidiana in maniera che tuttora facciamo
fatica a immaginare. Si tratta di un oggetto divenuto ormai di utilizzo quotidiano e che ci aiuta nelle più disparate operazioni:
il computer. Come spesso accade, quando si ritiene di esser arrivati a un punto di non ritorno, arriva il momento in cui tutto
rischia di poter cambiare, minando molte certezze acquisite. Pochi tra i non addetti ai lavori sanno cosa sia un computer
quantico. Si tratta di un concetto difficile da spiegare che unisce l’ingegneria informatica alla fisica quantistica, la quale risulta
essere il modello teorico attualmente più affidabile per spiegare il comportamento della materia. Con la sua elaborazione le
carte in tavola delle scienze naturali sono cambiate drasticamente quando si credeva forse di essere arrivati a un buon punto.
Cambiare le carte in tavola è proprio quello che promette di fare questa nuova generazione di computer.
Cerchiamo di capire insieme di che si tratta in quella che vuole essere un’introduzione generica a un tema complessissimo e in
continua evoluzione
Differenze con i computer classici
I computer secondo l’idea concepita nel XX secolo utilizzano il linguaggio binario, i cui messaggi sono formati da lunghe serie di 0 e 1.
L’unità è il bit, che può essere esclusivamente 0 o 1: I bit nella pratica fattuale corrispondono a dei transistor, definibili genericamente come
dei piccoli interruttori, quando questi sono chiusi il bit ha valore 0, quando sono aperti trasportando energia elettrica il bit ha
valore di 1.
I computer tradizionali sono sostanzialmente sequenze di interruttori che dicono sì o no, mentre questa nuova generazione di
computer quantici invece utilizza come unità di misura particelle subatomiche, applicando i principi della fisica dei quanti ,
termine usato per indicare la quantità indivisibile, il valore più piccolo fisicamente possibile, quindi la particella elementare
associata a un dato campo di forze.
Può essere utilizzato l’elettrone, particella a carica negativa che nella rappresentazione classica dell’atono ruota in orbita
attorno al suo nucleo e attorno al suo asse.
Vengono utilizzati gli ioni, cioè atomi sprovvisti di elettrone, per immagazzinare l’informazione facendo loro acquisire le
cariche elettriche da interpretare appunto come dati.
La rotazione degli elettroni può essere influenzata da un campo magnetico e in base a questo può girare in senso orario
(definito spin up) e in senso antiorario (spin down).
Quindi un allineamento rappresenta lo zero e un altro rappresenta l’1.
In che consiste il cambiamento tecnologico?
Laddove nei computer classici si utilizza il bit come unità di misura dell’informazione nei computer quantistici (o quantici) si
utilizza il Qubit.
Il qubit, la nuova unità di misura
L’unità fondamentale di scambio di dati è quindi il bit quantistico o qubit, termine coniato dal fisico Benjamin
Schumacher, legato allo stato in cui si trova una particella o un atomo e le cui
peculiarità permettono di svolgere i calcoli in modo molto più veloce.
Infatti, mentre nel metodo computazionale classico ogni bit è rappresentato da zero o uno (sistema binario), nel computing
quantistico il qubit può avere valore di zero e uno contemporaneamente. Questo è possibile grazie alla sovrapposizione degli
stati quantistici, chiamata anche sovrapposizione quantistica. Come avviene? Fintanto che l’elettrone non viene osservato
l’elettrone è portatore di entrambi i valori, per poi assumere uno dei due stati quando viene osservato perché nella fisica
quantistica è proprio l’osservatore a terminare il comportamento delle particelle minime.
Ciò comporta la possibilità di effettuare i calcoli in parallelo invece che uno per volta, moltiplicando esponenzialmente
potenza e velocità anche per calcoli estremamente complessi, riducendo quindi drasticamente i tempi di elaborazione
Per comprendere questo concetto contrario alla nostra esperienza comune è stato elaborato un noto esperimento mentale.
Gatto vivo o gatto morto?
l paradosso del gatto di Schrödinger è un stato ideato nel 1935 dal fisico Erwin Schrödinger per rendere più chiaro un
questo antintuitivo concetto base della meccanica quantistica. È diventato abbastanza noto nella cultura pop per via di
numerose citazioni in lungometraggi cinematografici e sit-com.
C’è un gatto all’interno della scatola al cui interno c’è un gatto e in una fiala una piccola porzione di una sostanza radioattiva,
capace di essere letale per il felino. Se il contenitore viene rotto l’animale, entrato a contatto con la sostanza tossica potrebbe
morire. Ma per scoprire se il gatto è ancora vivo bisogna aprire la scatola. Fino a quel momento esso può considerarsi sia vivo
che morto: questo è il Principio di sovrapposizione.
.
Grazie a questa proprietà si può misurare un q bit e determinare da ciò le informazioni contenute nei qbit adiacenti, attraverso
il ricorso a un complesso calcolo di probabilità facendo ricorso a specifici algoritmi matematici.
Ciò permetterebbe di maneggiare contemporaneamente una quantità di dati potenzialmente infinita e si aprono scenari
immensi difficili da immaginare.
I principi della struttura di questi nuovi computer
I computer quantici attualmente hanno l’aspetto di delicatissimi cilindri che devono tassativamente stare in una temperatura
estremamente bassa, prossima allo zero assoluto, in quanto ogni minima interazione con l’ambiente esterno farebbe perdere
ai qbit la capacità di immagazzinare dati. L’architettura è finalizzata allo sfruttamento ioni affinché, come si è visto, a possano
reagire alle cariche elettriche, intrappolati in campi elettrici.
Per far funzionare queste complessissime macchine, i ricercatori si sono affidati agli strumenti elettronici esistenti e agli
strumenti di calcolo a rack, i sistemi di installazione dei componenti hardware, ad alte prestazioni per collegare i processori che
sono posizionati all’interno del frigorifero criogenico (cioè appunto dalla capacità di produrre bassissime temperature).
Questi dispositivi sono spesso progettati su misura per controllare i singoli qubit, e richiedono centinaia cavi di connessioni
dentro e fuori dal frigo criogenico per controllare il processore quantistico. Sostanzialmente è che questi calcolatori fanno
tornare alla mente le tecnologie da fantascienza “steampunk”, ricordando vecchie tecnologie, essendo questi computer
caratterizzati da un fitto groviglio di cavi.
Il salto di qualità
Come si è detto un bit in un comune computer rappresenta o uno 0 o un 1, non di più perché il transistor non può essere sia
aperto che chiuso allo stesso tempo. Un qbit, essendo sia 0 che 1 , rappresenta 2 informazioni, il doppio.
Secondo questo principio 2 ne contengono 8 4 ne contengono 16 e così via: il numero di informazioni cresce
esponenzialmente: la quanti tà di dati viene così moltiplicata elevata a 2 per la quantità di qbit disponibili.
Come si leggono i dati trasportati dai qubit?
L’Entanglement Quantistico
L’Entanglement Quantistico è un fenomeno quantistico alla base dell’utilizzo dei dati trasportati dai qubit e la correlazione tra loro.
Secondo questo principio in determinate condizioni due o più sistemi fisici rappresentano sottosistemi di un sistema più
ampio, il cui stato quantico non è descrivibile singolarmente, ma solo come sovrapposizione di più stati (il termine inglese significa groviglio, intreccio).
Da ciò consegue che la misura di un’osservabile di un sistema (sottosistema) determini simultaneamente il valore anche per
gli altri. Il valore di una particella resta quindi correlato, anche a distanza teoricamente infinita, a quello di altre particelle.
La rivoluzione in atto
Il primo computer quantico commerciale venne presentato da IBM a Las Vegas nel 2019: l’IBM Q System One. L’applicazione di
questa nuovissima tecnologia ora è realtà: già ora viene utilizzata per l’elaborazione di modelli finanziari, previsioni
metereologiche il più possibile affidabili o per la protezione di dati attraverso la crittografia.
I quantum computer sono calcolatori che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica, quella che studia le
particelle subatomiche.
Secondo Ned Allen, Chief Scientist della Locked Martin, azienda attiva nei settori dell’ingegneria aerospaziale e della
difesa, tanto per farsi l’idea di ulteriori campi d’applicazione già previsti, sarà possibile creare senza basarsi sull’esperienza pregressa:
“Ridurrà il fabbisogno di energia elettrica per l’informaticas. Nei computer classici c’è bisogno di aver tutte le informazioni
possibili su un problema da affrontare e questo invece in quelli quantistici non sarà più necessario: sarà così più facile fare
scoperte, inventare. Esso creerà in maniera imprevedibile e questo sarà il principale vantaggio che avremo in futuro”.
Difficile fare previsioni dettagliate sul potenziale che soggiace in questa nuova strabiliante tecnologia.
Una cosa però è certa: dovranno nascere nuovi linguaggi di programmazione e si dovrà pensare a dispositivi più pratici da
utilizzare di questi primi computer quantici estremamente delicati e difficili da maneggiare.
Le possibilità di calcolo appaiono enormi, quasi infiniti i campi di applicazione, inevitabilmente questo porterà anche dei possibili rischi da soppesare.
Investire nell’istruzione e nella ricerca scientifica (serviranno ancora più fisici, ingegneri elettronici e informatici) ma anche in quella umanistica,
bistrattata ma comunque necessaria per contestualizzare i possibili cambiamenti in atto o valutare eventuali questioni etiche,
dovrebbe essere una scelta obbligata.
Occorre prestare molta attenzione e aggiornarsi, pena lasciarsi rimanere indietro dal corso della Storia.
Pochi se ne sono accorti ma una nuova era sta già iniziando.
Riferimenti
