Vergine madre, figlia del tuo figlio,
umile e alta più che creatura,
termine fisso d'etterno consiglio,
tu se' colei che l'umana natura
nobilitasti sì, che 'l suo fattore
non disdegnò di farsi sua fattura.
Dante
Un computer quantistico condivide con un computer normale la sua missione fondamentale - trattare ed elaborare le informazioni - ma lo fa sfruttando principi che nulla hanno a che fare con le macchine con cui oggi scriviamo, comunichiamo e navighiamo su internet. Un computer quantistico, infatti, utilizza fenomeni della meccanica quantistica per svolgere operazioni sui dati. Una macchina del genere usa i quantum bit (qubit) invece dei bit convenzionali con cui funzionano i computer di oggi. A differenza dei classici bit, che possono assumere solo uno di due stati alla volta (0 oppure 1), i quantum bit possono assumere diversi stati allo stesso tempo, e quindi essere usati per conservare o processare molto più velocemente quantità di informazioni di gran lunga superiori. Tutto ciò permette ai computer quantistici di svolgere calcoli complessi e simulazioni che le macchine odierne non sono in grado di realizzare.
Che cosa sono e come si comportano i qubit.
La meccanica quantistica sconvolge l’idea comune della realtà, mostrando, ai livelli subatomici (il mondo delle particelle), una fisica completamente differente da quella classica. Il mondo quantistico, funziona attraverso le probabilità. Non è possibile sapere, lanciando una particella, dove essa andrà a finire, ma è solo possibile conoscere la probabilità di dove andrà a cadere. Questa indeterminazione, però, non è dovuta agli strumenti inadatti, ma è una caratteristica fondamentale della natura; il mondo delle particelle funziona così.
Ad esempio nella fisica quantistica vale il principio di indeterminazione di Heisenberg (1927) il quale mplica che: «Nell’ambito della realtà le cui connessioni sono formulate dalla teoria quantistica, le leggi naturali non conducono ad una completa determinazione di ciò che accade nello spazio e nel tempo; l’accadere (all’interno delle frequenze determinate per mezzo delle connessioni) è piuttosto rimesso al gioco del caso » Il principio rende ragione dell'impossibilità di determinare con errore minimo a piacere l'osservazione contemporanea della posizione e della velocità di una particella elementare, in quanto l'una esclude l'altra. Il principio non significa che esistano coppie di grandezze fisiche impossibili da misurare contemporaneamente, ma che quanto più è precisa la misura di una grandezza tanto maggiore sarà l'errore nella misura dell'altra, per cui l'osservatore dovrà scegliere quale misura privilegiare e tarare gli strumenti di conseguenza. Il mondo subatomico è come un mondo "a sé", una "regione cosmica" con leggi proprie che include molteplici sistemi fisici, in cui noi non possiamo entrare con i nostri strumenti per coglierne interamente la natura. Vi sono infatti due sostanziali elementi di indeterminazione concernenti le particelle elementari, che sono la dualità onda/particella e la non-località (entanglement quantistico). Il Principio di Indeterminazione rappresenta la chiave di volta della meccanica quantistica in quanto sancisce il sostanziale indeterminismo comportamentale delle entità appartenenti al mondo subatomico, che quindi sono oggetto di studio della meccanica quantistica, sottraendosi totalmente ai criteri della fisica classica. Nelle formulazioni moderne della meccanica quantistica il Principio di indeterminazione di Heisenberg resta il suo principio base, compatibile coi postulati di essa e con le esperienze accumulate in ormai quasi un secolo. In generale, qualunque coppia di grandezze osservabili generiche, che non siano nella relazione di essere compatibili, non si potranno misurare simultaneamente, se non a prezzo di un'indeterminazione sull'una che è tanto più grande quanto più piccola è l'indeterminazione sull'altra grandezza; in sostanza si potranno determinare con un certo grado di probabilità.
Qubit, contrazione di quantum bit, è il termine coniato da Benjamin Schumacher per indicare il bit quantistico ovvero l'unità di informazione quantistica. Per definire il qubit è indispensabile introdurre innanzi tutto il concetto nuovo di quanto di informazione, cioè la più piccola porzione in cui una qualsiasi informazione codificata può essere scomposta. Così come il bit è il quanto di informazione della computazione classica, la computazione quantistica si basa su un concetto analogo: il quantum bit. Al pari del bit, il qubit è un oggetto matematico con determinate specifiche proprietà. Il vantaggio nel trattare i qubit come entità astratte risiede nella libertà di costruire una teoria generale della computazione quantistica che non dipende dagli specifici sistemi utilizzati per la sua realizzazione. Quante informazioni possono essere rappresentate da un qubit? Paradossalmente sarebbe possibile, almeno in linea di principio, la rappresentazione in un unico qubit di tutto lo scibile umano. Ma questa conclusione risulta erronea in virtù del comportamento del qubit in fase di misurazione. Va tenuto presente, infatti, che l'esito della misurazione dello stato di un qubit può essere soltanto 0 oppure 1. Quindi, dalla misurazione di un qubit, è possibile ottenere la stessa quantità di informazione rappresentabile con un bit classico. Mentre il bit classico è immaginabile come una moneta che, una volta lanciata, cadrà a terra mostrando inesorabilmente una delle due facce, il qubit è immaginabile come una moneta che, una volta lanciata, cadrà a terra continuando a ruotare su sé stessa senza mai arrestarsi fino a che qualcuno non ne blocchi la rotazione e obbligandola finalmente a mostrare una delle sue facce. Pertanto l’informazione, normalmente conservata all’interno di un hard disk, sotto forma di 0 o 1, nei computer quantistici viene conservata in una sovrapposizione di stati. I bit, quindi, si trasformano in qubit, dove: un bit può assumere la forma di 0 o 1, mentre un qubit, può diventare 0, 1 o la sovrapposizione di entrambi. Un qubit, infatti, è dotato di due ampiezze di probabilità, A0 e A1. Tuttavia la natura continua dello stato del qubit (che permette l'esistenza degli stati di sovrapposizione) non è l'unica caratteristica distintiva del qubit rispetto al cugino classico. Nel pieno rispetto delle leggi della meccanica quantistica, una combinazione di più qubit è soggetta ad una caratteristica chiamata entanglement. Il termine inglese letteralmente significa "intreccio". Ma una buona interpretazione potrebbe essere "legatura" infatti, in condizione di entanglement, due qubit perdono la loro natura individuale per assumerne una unica di coppia. In tale condizione lo stato di un qubit influenza lo stato dell'altro e viceversa.
L'unico modo sinora individuato per fornire una efficace rappresentazione geometrica di un qubit, consiste nella cosiddetta Sfera di Bloch. Formalmente il qubit, in quanto punto di uno spazio vettoriale bidimensionale a coefficienti complessi, avrebbe quattro gradi di libertà ma la condizione di completezza da un lato e l'impossibilità di osservare il fattore di fase dall'altro riducono a 2 i suoi gradi di libertà. Dunque un qubit può essere rappresentato come punto sulla superficie di una sfera di raggio unitario.
Computazione quantistica.
Il concetto di computazione quantistica (quantum computing) è stato introdotto per la prima volta dal fisico americano Richard Feynman nel 1982. Da allora la ricerca sul quantum computing non si è mai fermata, nella convinzione che, una volta superati tutti gli ostacoli che ne impediscono l'utilizzazione su larga scala, i benefici sarebbero stati tali da giustificare l'immenso lavoro che si sta producendo.
Il computer quantistico è un nuovo paradigma in cui la computazione usa gli stati quantistici per svolgere determinati calcoli in modo molto, molto più veloce rispetto a qualsiasi computer esistente. Lo svolgimento dei compiti avviene in modo totalmente diverso: invece di utilizzare il codice binario, si usano i quantum bit che possono essere in sovrapposizione di stati. Più si aumenta il numero dei qubit, più aumenta la capacità di elaborazione in modo esponenziale.
Il primo processore quantistico è stato costruito nel 2009 da un gruppo della Yale University. Ciononostante, potrebbero volerci ancora anni per avere una macchina davvero utile. I primi algoritmi quantistici, infatti, hanno cercato di risolvere problemi molto semplici, utilizzando i cosiddetti "oracoli": servivano per dare risposte basilari, come "sì" e "no". Costruire un computer quantistico, d'altronde, non è certo impresa facile. L'obiettivo generale è mantenere dimensioni relativamente piccole e superare lo scarto tra teoria e problemi pratici. Tuttavia, una volta che questi impedimenti tecnici saranno spazzati via, i ricercatori ritengono che i computer quantistici saranno in grado di affrontare virtualmente qualsiasi quesito di password e crittografia, così come di realizzare simulazioni e disegni in una manciata di secondi che una macchina tradizionale non potrebbe mai svolgere. Intanto, mentre nelle università si cerca di trovare il varco per spianare la strada al nuovo paradigma, a maggio la D-Wave Systems (azienda canadese di quantum computing) ha lanciato il primo computer quantistico commerciale del mondo, chiamandolo "D-Wave One". La macchina, dotata di un processore da 128 qubit, svolge un solo compito - l'ottimizzazione discreta - eppure costa più di 10 milioni di dollari. Ad acquistarlo è stata la Lockheed Martin, azienda americana di ingegneria aerospaziale e difesa, che a fine ottobre ne ha installato uno nell'Information Science Institute della University of Southern California University of Southern California, a Marina Del Rey. Il processore - spiegano gli sviluppatori - è ottimizzato per analisi dei dati e problemi di riconoscimento di pattern. In particolare, è disegnato per fronteggiare situazioni in cui i dati sono troppi per analizzare manualmente la presenza di pattern. Verrà utilizzato, tra le altre cose, per risolvere problemi di apprendimento automatico particolarmente complessi.
Il Nobel per la fisica.
Oggi il francese Serge Haroche, del Collège de France e Ecole Normale Supérieure di Parigi, e David J. Wineland, del National Institute of Standards and Technology (NIST) e University of Colorado Boulder hanno avuto il Premio Nobel 2012 per la Fisica. Entrambi hanno lavorato su quel che succede quando luce e materia si incontrano, un campo che, a livello dell'infinitamente piccolo, è ancora tutto da studiare, non obbedisce alla fisica classica e promette di far fare passi avanti nella realizzazione del computer quantistico.
Non è solo questo, anche se il tema è quello su cui in queste ore si accentra l'attenzione, le applicazioni delle ricerche teoriche e sperimentali iniziate dai due fisici potrebbero avere anche altre importanti applicazioni, come ad esempio orologi iperpprecisi, ancora più di quelli atomici. E pensiamo che oggi siamo a uno scarto di 1 secondo ogni 30 milioni di anni. È proprio nella primissima intervista rilasciata da Wineland che il neo premiato butta acqua sul fuoco dicendo esplicitamente "Avremo questi computer quantistici, ma non subito". Il premio è stato assegnato per i loro «pionieristici metodi sperimentali che consentono la misurazione e la manipolazione di singoli sistemi quantistici». In pratica sono riusciti a studiare e capire cosa succede quando una particella o un fotone passano dal "nostro" mondo a quello della fisica quantistica. Serge Haroche e David J. Wineland hanno indipendentemente inventato e sviluppato metodi per la misurazione e la manipolazione di singole particelle cosa che in precedenza era ritenuta non realizzabile. Il punto è incredibilmente importante. Le single particelle "vivono" infatti nel mondo della meccanica quantistica obbedendo, come abbiamo visto, a leggi molto diverse da quelle del mondo macroscopico. E fin qui niente di male. Il punto è che se si "prende" con una immaginaria pinza una particella di materia o un fotone, per studiare il loro comportamento in ambito quantistico, questi ritornano "normali" e non si lasciano studiare. Ora con i metodi sviluppati dai due fisici sarà invece possibile studiare particelle e fotoni senza che si distruggano durante l'operazione di osservazione. I due premi Nobel hanno aperto le porte quindi a una nuova era di sperimentazione con la fisica quantistica, dimostrando come sia possibile l'osservazione diretta delle singole particelle quantistiche senza distruggerle, e semplificando la strada al computer quantistico.
..... Eugenio Caruso
9 ottobre 2012
