Alle soglie del futuro dell’elettronica: il computer quantistico

 

Tutte le strabilianti scoperte della fisica quantistica dello scorso secolo (di cui abbiamo ampiamente trattato su questo blog) hanno rappresentato l’elemento fondamentale per lo sviluppo e la costante evoluzione dei moderni computer e dell’elettronica in generale. In fondo, l’intera industria informatica è costruita sui fondamenti della meccanica quantistica: i moderni computer contengono semiconduttori e tutta la fisica dello stato solido si sviluppa a partire dalle teorie della meccanica quantistica. Con il futuro potenziamento di nuove tecniche di deposizione chimica dei componenti su strati di semiconduttore, sarà possibile realizzare computer sempre più potenti e miniaturizzati.

Eppure, come si sarà notato, gli ambienti scientifico-informatici sono tutti impegnati allo sviluppo e allo studio di un nuovo, importante dispositivo:  il “computer quantistico” (o Quantum Computer).

Prima di introdurre un breve percorso di prospettiva attraverso la descrizione del Quantum Computer (e – successivamente – del Quantum Internet) è necessaria una fondamentale premessa: il computer quantistico non sostituirà il computer classicoe non lo renderà obsoleto, almeno non nel futuro a medio termine (30-50 anni). Anzi, sarà sempre necessaria un’integrazione attraverso questi due dispositivi per l’ottenimento degli ambiziosi traguardi futuri, che analizzeremo più avanti. Ciò che rende affascinante la prospettiva del Quantum Computer è proprio il superamento del concetto di “bit” (alla base dell’informatica moderna) e l’introduzione del “qubit” (quantum bit).

 

(clicca per ingrandire)

Superare il “bit”

Una parte essenziale di un computer classico è rappresentata dal circuito integrato, una meravigliosa opera di ingegneria. Su ciascun circuito integrato dalle dimensioni di poche decine di millimetri quadrati è possibile oggi depositare miliardi di transistor. E questi transistor, a loro volta, sono usati per realizzare i “bit” classici, il mattone fondante dell’attuale informatica.

Il bit può rappresentare uno zero o uno (0/1) e tramite la sua applicazione vengono eseguiti i calcoli dei moderni computer. Nonostante gli attuali supercomputer siano milioni di volte più veloci e più precisi dell’abaco cinese di migliaia di anni fa, entrambi sono limitati dallo stesso principio fisico di sequenzialità. Il supercomputer è un abaco più veloce.

 

Il qubit

Supponiamo ora di aver realizzato un dispositivo simile al transistor, ma che invece del bit classico sia in grado di generare un bit “quantistico” (qubit) che erediti i 3 fenomeni unici della fisica quantistica: sovrapposizione, interferenza ed entanglement.

Mentre un bit classico può assumere (in ogni istante) il valore zero (0) o uno (1), la sua controparte quantistica, il qubit, può assumere entrambi i valori allo stesso momento (sovrapposizione degli stati).  L’uso del bit classico prevede miliardi di operazioni di commutazione tra ON e OFF; nei sistemi fisici quantistici esistono simultaneamente gli stati ON e OFF, anche se questo sembra collidere contro la nostra comune esperienza quotidiana. La caratteristica di sovrapposizione quantistica nel qubit porta a un risultato sorprendente: l’ammontare dell’informazione classica equivalente contenuta in un sistema di N qubit è pari a 2Nbit classici (3 qubit forniranno una quantità di informazione pari a 8 bit, 5 qubit a 32 bit, e così via). Se pertanto si realizzasse un sistema contenente 300 qubit, questo equivarrebbe a 2300bit classici: un numero, cioè, con 90 zeri, che rappresenta tante particelle quante sono nell’intero universo.

Nel mondo classico, se lanciamo una pallina contro una parete con due fessure, questa passerà attraverso la fessura di destra o di sinistra. Nel mondo della meccanica quantistica, una particella – invece – può comportarsi in modo estremamente bizzarro: potrà passare attraverso entrambe le fessure allo stesso tempo (Esperimento della doppia fenditura). La stessa particella, transitando tra le due fessure, potrà poi interferire con se stessa generando frange di interferenza.

Se ora consideriamo due qubit, questi possono essere posti in stretta correlazione tra di loro, generando uno stato di entanglement. Ciò vale a dire che i due qubit condivideranno proprietà comuni: se la stessa misura viene effettuata sui due qubit, il risultato totale sarà lo stesso, qualunque sia la distanza tra i due.

Sono queste proprietà di sovrapposizione, interferenza ed entanglement che rappresentano la vera potenzialità dell’informatica quantistica, le cui impressionanti applicazioni analizzeremo nei successivi articoli.

 

Un frigorifero a diluizione che ospita un computer quantistico sperimentale (Foto: Ryan F. Mandelbaum)

Come realizzare un qubit?

Realizzare un qubit è un’operazione molto difficile. Gli effetti quantistici descritti sono generalmente associati a piccole scale energetiche, quindi occorre mantenere il qubit a temperature molto basse, per evitare fenomeni di vibrazione termica. Per “temperature molto basse” si intendono pochi decimi di grado al disopra allo zero assoluto (-273,15 °C) e per raggiungere questi livelli di freddo occorre spendere molta energia in speciali refrigeratori a diluizione.

Un’idea di base per realizzare un qubit è di utilizzare lo spin dell’elettrone. È un’idea ambiziosa: dopotutto, un elettrone è estremamente piccolo e il campo magnetico associato allo spin è altrettanto estremamente debole e quindi difficile da misurare. Tuttavia, poiché lo spin può solo puntare “su” o “giù“, ha esattamente due stati. Inoltre, lo spin degli elettroni è soggetto alle leggi della fisica quantistica e questo lo rende il candidato ideale per essere impiegato come elemento costitutivo fondamentale in un computer quantistico.

Tuttavia, progettare e realizzare un qubit stabile rappresenta una sfida gigantesca. Dopo venticinque anni dai primi esperimenti, gli scienziati hanno ancora molta strada da percorrere, sebbene recentemente – attraverso l’integrazione delle teorie del fisico italo-americano David Di Vincenzo– si sia giunti a delineare un metodo concreto per creare qubit e usarli per costruire un computer quantistico.

Il fisico italiano Andrea Morello, direttore del Quantum Spin Control Program dell’Università del New South Wales (Australia), vincitore nel 2013 del Malcolm McIntosh Prize come miglior fisico dell’anno.

Il fisico italiano Andrea Morello, professore all’Università del New South Wales (Australia) e direttore del Quantum Spin Control Program, sta attualmente impiegando l’elettrone più esterno dell’atomo di fosforo come qubit. Morello e il suo team stanno ora sviluppando tecniche avanzate per osservare e controllare l’interazione tra due qubit e sviluppare una porta logica quantistica, nonché il trasporto di informazioni attraverso un cristallo di silicio.

 

Dal qubit al quantum computer

I computer quantistici non potranno sostituire i computer classici per diverse ragioni. Ad esempio, non sono universalmente più veloci, ma sono più veloci solo per speciali tipi di calcolo, dove possono essere usati i vantaggi dell’avere disponibili degli stati contemporaneamente sovrapposti (calcolo parallelo). Se lo scopo è guardare un video in alta definizione, navigare in internet, scrivere documenti, elaborare fotografie o qualunque altro tipo di azione in cui è richiesto un algoritmo classico, il quantum computer non offrirà alcun vantaggio. Il computer quantistico non deve essere pensato come uno strumento in cui ogni operazione è più veloce del computer classico. Anzi, probabilmente ogni operazione che svolge oggi un laptop sarebbe addirittura più lenta con un computer quantistico.

Il quantum computer è invece uno strumento dove il numero di operazioni richieste per raggiungere un particolare risultato è esponenzialmente minore. Quindi l’innovazione non è nella maggiore velocità di ogni singola operazione, ma nel minor numero di operazioni richieste per giungere al risultato, sebbene solo per particolari algoritmi, quindi non può essere considerato un sostituto del computer classico.

Un vantaggio dei computer quantistici è che possono manipolare la sovrapposizione stessa, senza misurare i qubit fino alla fine del calcolo. In questo modo possono usare tutte le combinazioni contemporaneamente e condurre molte operazioni in parallelo. Questa abilità è inutile per gli usi quotidiani, ma aiuterebbe molto alcuni calcoli complessi, come ad esempio per capire come si ripiegano le proteine, che è fondamentale nella ricerca medica. Per farlo, però, occorre calcolare in sequenza tutte le miriadi di combinazioni possibili, un’operazione molto difficile e complessa. I computer quantistici potrebbero simulare tutte le configurazioni in parallelo, riducendo perciò drasticamente i tempi di calcolo.

La teoria è praticamente completa: come manipolare i qubit, che struttura devono avere i circuiti, come devono essere programmati i computer. Costruirli davvero, mettere insieme più di un paio di qubit sembra ancora molto difficile (nonostante notevoli recenti passi avanti).

Da quanto evidenziato in precedenza, non sarà semplice progettare e realizzare più qubit in un singolo chip. Tuttavia, supponendo che questo traguardo si raggiunga in tempi brevi, ciò non sarà sufficiente a definire un computer quantistico. Si possono prendere in prestito molte tecniche realizzate per lo sviluppo del computer classico, ciononostante le differenze sono tali da richiedere ancora un grande sforzo di progettazione sia hardware sia software. Poiché gli stati quantistici non sopravvivono a lungo, sarà estremamente importante che tutti i segnali e i messaggi siano sincronizzati in modo preciso.

La progettazione e la realizzazione di un Quantum Computer rappresenta oggi una delle più grandi sfide scientifiche e tecnologiche: in effetti, è molto difficile pensare in questo momento a un intero computer quantistico contenente milioni di miliardi di qubit, ma le opportunità che si presenteranno con un tale dispositivo saranno enormi e potranno potenzialmente cambiare la nostra vita quotidiana verso modalità ancora non immaginabili.

Sono trascorsi poco più di sessanta anni da quando il primo transistor fu immesso nella produzione commerciale di massa, e in quel momento nessuno avrebbe mai potuto immaginare gli incredibili passi che avrebbe percorso l’elettronica fino ai nostri giorni. Gli scienziati e i laboratori attuali dispongono di strumenti e conoscenze ben più ampie di quelle della metà del secolo scorso quindi, seppure l’idea di realizzare un completo Quantum Computer oggi possa risultare un’ambizione complessa, è plausibile prevederne le prime attività già nei prossimi decenni.


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