Il computer quantistico ci salverà

di Lorenzo Marrucci *

Da decenni, la potenza di calcolo dei computer cresce anno dopo anno, apparentemente senza limiti. Ma un brusco stop è dietro l’angolo: il livello di miniaturizzazione è infatti giunto al punto che i transistor sono ormai composti da pochi atomi e quindi entrano in gioco le leggi della meccanica quantistica, che governano la scala atomica. Fenomeni quantistici come l’effetto tunnel, che consente ad una particella di attraversare una barriera altrimenti impenetrabile, mettono in crisi il funzionamento dei dispositivi elettronici. Ma le leggi della meccanica quantistica offrono allo stesso tempo una grandissima opportunità per un nuovo salto di qualità: la realizzazione del computer quantistico.

Il computer quantistico manipola l’informazione secondo le leggi della meccanica quantistica. L’unità minima di informazione è il bit, che viene implementato mediante un oggetto reale, ad esempio un transistor, capace di assumere due stati, denominati 0 e 1. In meccanica quantistica, un oggetto capace di assumere due stati, denominato qubit (“quantum bit”), si trova effettivamente in uno di essi solo quando viene preparato o misurato, ossia quando il bit viene “scritto” oppure “letto”. Nell’intervallo tra una scrittura ed una lettura, il qubit si trova invece in una situazione indeterminata in cui, in un certo senso, entrambi gli stati si realizzano simultaneamente. I fisici dicono che il qubit si trova in una sovrapposizione quantistica dei due stati.

Per spiegare il significato di questa misteriosa sovrapposizione quantistica, utilizzerò la cosiddetta interpretazione “a molti mondi” della meccanica quantistica. Quando il qubit si trova in una sovrapposizione di 0 e 1, è come se l’universo si scindesse in due universi paralleli, in uno dei quali il qubit occupa lo stato 0 e nell’altro lo stato 1. Ciascuno dei due universi ha ad ogni istante una ben precisa probabilità di verificarsi, in caso di lettura del qubit. Inoltre, ciascun universo è associato ad una “fase”, una sorta di lancetta virtuale che gira nel suo quadrante ad una velocità costante, fissata dall’energia totale dell’universo. Questa fase è ciò che fa pensare che i due universi esistano davvero simultaneamente e non siano solo la rappresentazione di una nostra conoscenza incompleta sul vero stato del qubit. Infatti, eseguendo operazioni opportune, i due universi possono tornare a fondersi e, in quel caso, le fasi dei due universi determinano il risultato, secondo un principio analogo all’interferenza tra onde che si sovrappongono.

Consideriamo ora un computer quantistico con più qubit. Per due qubit, gli stati possibili del sistema sono quattro: 00, 01, 10, 11. Un computer con due qubit si può trovare quindi in una sovrapposizione quantistica di questi quattro stati. Con tre qubit ci saranno otto stati e così via. Il numero di stati possibili cresce esponenzialmente con il numero di qubit: già con 100 qubit ci sono oltre mille miliardi di miliardi di miliardi di stati! Se ora il computer quantistico esegue una sequenza di operazioni sui qubit, senza leggerli, quelle stesse operazioni sono eseguite in tutti gli universi paralleli della sovrapposizione. È come se il computer quantistico fosse sostituito da miliardi di computer normali che eseguono le stesse operazioni su valori diversi. Questo consente di esplorare miliardi di combinazioni diverse nello stesso tempo e senza aver bisogno di avere miliardi di computer reali.

Questa mostruosa potenza di calcolo può essere sfruttata solo in parte, perché alla lettura finale tutti gli universi “collassano” nuovamente in uno solo. Tuttavia, esistono algoritmi quantistici, definiti dalla sequenza di operazioni da eseguire sui qubit, che consentono di risolvere in tempi ragionevoli problemi che i computer normali potrebbero affrontare solo in tempi enormi. Tra questi c’è, ad esempio, la ricerca di un elemento in un catalogo enorme, la fattorizzazione in numeri primi di un numero molto grande (problema alla base della crittografia utilizzata nella comunicazione elettronica moderna) e la simulazione di sistemi fisici complessi.

La realizzazione del computer quantistico richiederà lo sviluppo di tecnologie del tutto nuove. La ricerca mondiale sta recentemente subendo una notevole accelerazione con l’entrata in campo di grandi player privati, come IBM e Google. Anche l’Europa ha recentemente deciso di dare un forte impulso a questi studi, con l’avvio del programma di ricerca FET Flagship sulle Quantum Technologies. La tecnologia al momento forse più promettente si basa sui circuiti superconduttori. La trasmissione di informazione quantistica è invece affidata alle tecnologie fotoniche. L’Università Federico II è attiva in ambedue queste linee di ricerca e ha recentemente anche lanciato un nuovo dottorato di ricerca focalizzato sulle tecnologie quantistiche.

Siamo quindi in vista di una nuova possibile rivoluzione tecnologica, la rivoluzione dell’informazione quantistica. E speriamo di trovarci sempre nell’universo giusto!

* Università degli Studi di Napoli Federico II
Sabato 26 Maggio 2018, 20:00
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