Vi presentiamo il Computer Quantico: a cosa serve e perché lo stiamo costruendo.

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Quantum computing: quando 0 e 1 non bastano più

Qual è il problema da cui è nata la necessità di un nuovo modello fisico della computazione?

Il Computer Quantico IBM Q: per il suo funzionamento è necessario un impianto di raffreddamento enorme. Il computer è dotato di un prototipo di processore da 50 qubit, ma la sua versione standard da 20 qubit è accessibile online da chiunque. (Credit: IBM)

La prossima volta che andrete a cena con i vostri amici, guardate attentamente come prenderete posto intorno al tavolo.

Comunque vi siederete, quella disposizione sarà solo una delle moltissime combinazioni possibili. Infatti, una tavolata di 8 persone ha un numero 8! di configurazioni alternative, ovvero ben 8x7x6x5x4x3x2x1= 40.320 (si parla, statisticamente, di permutazioni).
Aggiungendo una persona, il numero diventa 362.880, e arrivando a 10 persone addirittura 3.628.800. Prendendo carta e penna e volendo disegnare tutte queste combinazioni, la cosa potrebbe impegnarvi fin oltre al dessert.

E allora potremmo pensare di farci aiutare dal nostro computer. Inizierebbe ad eseguire una combinazione dopo l’altra finendo un po’ prima di noi; ma affronterebbe comunque il problema con calcoli in sequenza. Calcoli complessi necessitano di più tempo, quando dobbiamo eseguirli in sequenza. Quindi perché non eseguirli in parallelo?

Nasce così l’approccio teorico al computer quantistico: anziché calcolare con dei bit (binary digit), le unità di informazione che codificano i due stati aperto e chiuso (1 e 0) di un interruttore, si sfruttano quelli che vengono chiamati qubit, le unità dell’informazione quantistica che sono codificati non da 1 o 0 ma dallo stato quantistico in cui si trova una particella o un atomo, che può avere contemporaneamente sia il valore 1 sia il valore 0.

Non solo: possono considerare una varietà di combinazioni che producono differenti stati quantistici (una particella può essere per 70% allo stato 1 e per il 30% allo stato 0, o 40% e 60%, o 15 e 85, e così via). Una condizione detta sovrapposizione quantistica e che assume un significato incredibile se si pensa alla progressione matematica. Infatti, proprio per via di questo principio 2 qubit possono avere 4 stati contemporaneamente, 4 qubit hanno 16 stati, 16 qubit hanno 256 stati e via dicendo. Se pensiamo al fatto che la quantità di informazione contenuta in n qubit è pari a 2 alla n bit classici, ci rendiamo conto che si sta parlando di numeri astronomici.

In altre parole, il computer quantistico è in grado di processare — nello stesso momento, attraverso il calcolo parallelo — più soluzioni ad un singolo problema anziché svolgere calcoli sequenziali come avviene ora con l’elaborazione elettronica.

Questo ci torna particolarmente utile, quando vogliamo eseguire calcoli molto complessi — e con “calcoli” si intendono le possibili soluzioni a diversi problemi. I computer che usiamo oggi sono conosciuti come computer classici. Sono stati una forza trainante nel mondo per decenni — rendendo possibile il progresso di ogni cosa, dalla sanità al modo in cui acquistiamo. Ma ci sono alcuni problemi che i computer classici non saranno mai in grado di risolvere.

Considerate la molecola di caffeina in una tazza di caffè. Sorprendentemente, è abbastanza complessa che nessun computer esistente o ancora da costruire sarebbe in grado di modellarla e comprenderne appieno la struttura e le proprietà dettagliate. Questo è il tipo di sfida che può essere affrontata invece con un computer quantistico. La simulazione di nuove molecole ci risulta particolarmente utile per la creazione di nuovi farmaci, oppure di nuovi materiali, oppure per tantissimi altri campi di ricerca, come sta pensando di fare il Dipartimento dell’Energia Statunitense.

Il problema della cena tra amici, descritto sopra, è un chiaro parallelismo del mondo naturale: sostanze chimiche e materiali sono la somma di tantissime molecole disposte in un preciso ordine. Per scoprire cosa succederebbe se le molecole si disponessero diversamente, dobbiamo iniziare ad interagire con le particelle elementari che compongono ogni cosa: i quanti.

Tutto ciò ci fa capire inoltre che l’avvento dei computer quantistici non significherà l’estinzione dei computer classici. Non tutti i problemi che risolviamo con gli attuali strumenti richiedono una computazione in parallelo, come permesso dal quantum computing. Per certi calcoli anzi il nostro computer resterà ancora lo strumento principale. Tuttavia, la chimica, i nuovi materiali, l’analisi di grandi basi di dati, e tanti temi caldi del nuovo millennio come la crittografia e la cybersecurity troveranno nel quanto una risposta senza precedenti.