Oggi parleremo di un argomento che segnerà il futuro dell’informatica così come la conosciamo, oggi parliamo di che cosa è e come funziona un computer quantistico (o quantico). Una macchina che è a metà tra la scienza e la fantascienza, portando a nuovi e innumerevoli obiettivi che il cervello umano, per sua logica, fatica ad ideare. Ma cerchiamo di spiegare come funziona un computer quantico.
Tutti noi (o quasi) sappiamo che un computer è una macchina che esegue operazioni in maniera sequenziale attraverso i bit che possono avere valore 0 (zero) oppure 1. Bene, ora avete presente il gatto di Schrödinger? Per chi non lo sapesse, Erwin Schrödinger è stato un fisico di grande spessore per i suoi contributi alla meccanica quantistica, lui cercò di spiegare un paradosso della fisica quantistica (entanglement quantistico) attraverso un esempio di un gatto chiuso in una scatola insieme ad un congegno che avrebbe potuto uccidere il gatto.
Senza scendere troppo nei particolari, vi basti sapere che, secondo le leggi della fisica dei quanti, quel gatto può essere sia morto che vivo allo stesso tempo, in questo modo il gatto ha due stati allo stesso tempo. Un paradosso assurdo per la logica umana.
Paradosso si, ma è la base di un computer quantistico, infatti mentre nei tradizionali computer i bit sono 1 oppure 0 (zero), nei computer quantistici sono presenti i qubit (quantum bit) che possono assumere valore 0 (zero), 1 oppure entrambi allo stesso tempo, fino a 4 stati contemporaneamente (zero, uno, uno – zero, zero – uno). Questo vuol dire che un computer quantistico può trattare in parallelo 2 numeri per nucleo.
Indice:
IL COMPUTER QUANTISTICO PIÙ POTENTE AL MONDO
Attualmente il computer quantistico più potente è il D-Wave 2x che vanta 1’152 qubit, se ogni qubit può gestire fino a due numeri allo stesso tempo, il D-Wave 2x può gestire 21152 numeri allo stesso tempo, un numero di gestioni in parallelo che non staremo nemmeno a calcolare.
Sistemi di calcolo ottenuti combinando poche centinaia di qubit associati tra loro potrebbero polverizzare qualunque super computer basato sulla tecnologia attuale, aprendo le porte ad una nuova età dell’oro dell’informatica, capace di affrontare in breve tempo problemi che oggi sono fuori dalla portata dei migliori super computer, a meno che non si voglia aspettare letteralmente un vita per avere la risposta desiderata.
Questo perché le particelle, nella fisica quantistica, possono essere legate tra loro pur non interagendo attraverso le forze tradizionali, secondo le leggi che gestiscono l’entanglement quantistico piegato da Schrödinger. Sistemi di qubit sono così capaci di restituire più risultati di calcolo simultaneamente, secondo una progressione esponenziale dipendente dal numero di qubit interconnessi.
Tutta questa potenza però non è semplice da gestire, infatti un computer quantistico, per lavorare a pieno e non perdere le sue proprietà deve essere isolato dal mondo esterno, in maniera tale da non subire cambiamenti che possono alterare lo stato dei qubit, le loro proprietà ed evitare errori nella rappresentazione dell’informazione.
Attualmente l’unica azienda a produrre computer quantici è la D-Wave e i suoi computer quantici devono trovarsi a temperature vicino lo zero assoluto, circa -273° e devono avere una pressione interna intorno a 10 miliardi di volte inferiore alla pressione atmosferica sulla terra. Inoltre ci sono altri problemi dovuti alla verifica di eventuali errori nella rappresentazione dell’informazione causate da fonti esterne e il problema della produzione e vendita su larga scala.
Errori nella rappresentazione dell’informazione
Mentre la D-Wave utilizza un approccio adiabatico (isolare la macchina dal mondo esterno), i fisici di IBM hanno messo in piedi un sistema sperimentale a quattro qubit, realizzata a partire dalle proprietà dei superconduttori. Il sistema è strutturato come un chip di forma quadrata, e proprio questa disposizione dei qubit, sui quattro lati, ha aiutato nell’identificazione contemporanea dei due errori tipici dei bit quantistici.
Oltre al classico bit-flip, per cui un 1 è scritto al posto di uno zero o viceversa, possibile anche nei computer tradizionali e controllato con il bit di parità, i circuiti quantistici sono soggetti anche a errori di fase, detti phase-flip, in cui si inverte il rapporto di sovrapposizione tra i due stati contemporaneamente presenti nel qubit.
L’identificazione contemporanea di questi due errori è una condizione necessaria per ricavare risultati affidabili da un computer quantistico. Il grande vantaggio del lavoro svolto da IBM è che potrà essere facilmente replicato su sistemi di numerosi qubit, nella speranza che sia risolto il problema di realizzarli in quantità con tecniche simili a quelle con cui si realizzano i normali chip.
Produzione su larga scala
Per quanto riguarda il problema della produzione su larga scala, la University of New South Wales viene in nostro aiuto. Infatti alla University of New South Wales sono riusciti a sviluppare una porta logica CNOT su silicio che permette di gestire qubit come accade per i tradizionali computer.
A differenza dei normali transistor che abbiamo nei nostri PC a casa, basati su una porta logica NAND, quelli quantistici realizzati dall’università, sono formati da un singolo elettrone ciascuno, e lo stato binario (zero e 1) non è dato dalla carica elettrica ma dallo spin di quel singolo elettrone.
A questo punto sono stati messi in relazione i qubit a due a due, per formare porte logiche CNOT: un operatore quantistico equivalente a una porta XOR ma reversibile. Ritroviamo quindi, una porta logica quantistica, in grado d’operare su bit che, a differenza di quelli della normale algebra di Boole, possono essere in condizione di sovrapposizione quantistica descritta dal gatto di Schrödinger.
La rivoluzione non sta nel fatto di aver creato una porta logica CNOT ma il fatto di averla implementata su silicio.
Utilizzi
Il primo utilizzo è sicuramente quello della sicurezza informatica. Un computer quantico che lavora a pieno regime, potrebbe bucare in pochi istanti uno qualsiasi dei sistemi di encryption attuali, anche i più complessi come quelli statali, il che giustifica l’interesse dei governi (specialmente quello USA e cinese) a seguirne l’evoluzione con la massima attenzione.
Allo stesso tempo, sfruttando le proprietà dei qubit potrebbero essere realizzati nuovi sistemi di codifica praticamente inviolabili.
Studi sulla intelligenza artificiale e qualsiasi altro sistema che necessiti di una simulazione per essere studiato, risulterebbero molto più semplici. Elaborazioni utili per l’analisi dei mercati finanziari darebbero delle certezze e non solo delle probabilità.
La biochimica e la medicina ne godrebbero con un grande beneficio incalcolabile, visto che i computer quantistici sarebbero in grado di simulare e valutare in breve tempo innumerevoli combinazioni molecolari per la ricerca di farmaci più efficaci, oltre ad effettuare analisi genetiche a dir poco istantanee.
I calcoli utilizzati per le previsioni meteo che necessitano di migliaia di variabili da considerare diventerebbero semplici come fare 2+2.
Insomma stiamo vivendo il confine tra scienza e fantascienza.
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