Computer quantici

Dal nome sembrerebbero un gadget tratto da qualche gioco di ruolo di fantascienza come Eclipse Phase. Ma in realtà i computer quantici sono qualcosa che potrebbe esistere presto (o forse già esiste) e che potrebbe far fare all’informatica un salto in avanti di portata incalcolabile.
Cos’è un computer quantico? Sappiamo tutti che, per manipolare l’informazione, i computer riducono tutto in bit, cioè cifre binarie che possono assumere il valore di 0 o 1. Il processore del computer con cui state leggendo questo post possiede un registro in cui sono salvati i bit su cui sta lavorando (probabilmente 32 o 64 bit), e a ogni ciclo di funzionamento compie delle operazioni matematiche su questi bit cambiandone il valore.
I bit in questione sono rappresentati dallo stato di componenti all’interno del processore. In un computer normale si tratta di componenti macroscopiche (per modo di dire, perché nei chip odierni ci vuole un microscopio molto potente per vederle; ma comunque si tratta ancora di oggetti formati da un bel numero di atomi). In un computer quantico, invece, per rappresentare queste unità minime di informazione si utilizzano particelle subatomiche. Per esempio, si può decidere che se o spin (momento angolare) di un elettrone è in un verso, vale 0, altrimenti vale 1.
I bit codificati in questo modo vengono chiamati qbit. Che ci si guadagna? Il punto è che, quando si lavora in questa scala di grandezze, entra in gioco la meccanica quantistica, che ci dice che lo stato di una particella non è mai definito, ma è una sovrapposizione di tutti gli stati possibili, a meno che un osservatore non lo vada a verificare. In pratica lo spin del nostro elettrone, mentre non lo guardiamo, non va né del tutto in un senso né nell’altro, ma è un mix delle due possibilità. Questo, che a prima vista potrebbe sembrare un problema, può essere utilizzato a nostro vantaggio per certi tipi di calcoli. Per esempio, se  vogliamo risolvere un problema che richiede di verificare il valore di una funzione per n valori diversi e poi farne la media, con un computer classico dobbiamo eseguire il calcolo n volte. Se invece usiamo un computer quantico i cui qbit possono assumere simultaneamente n valori diversi, è possibile eseguire il calcolo una sola volta e ottenere un risultato che, statisticamente, sarà pari alla media di tutti i risultati, risparmiando un gran numero di cicli di calcolo. Al crescere del numero dei qbit, la quantità dei cicli di calcolo risparmiati cresce esponenzialmente, tanto che un computer quantico con varie centinaia di qbit a disposizione potrebbe facilmente superare la potenza di tutti i computer oggi disponibili per l’umanità.
Ovviamente, una cosa è enunciare il principio, un’altra è metterlo in pratica. “Scrivere” un dato usando singole particelle subatomiche richiede componenti estremamente sofisticate, che stiamo cominciando a malapena a concepire. Inoltre, perché sia possibile lavorare con i qbit, occorre sfruttare un’altra proprietà della meccanica quantistica, che è l’entanglement. In pratica, se una serie di particelle viene prodotta da un unico processo quantistico, e poi andiamo a misurare una proprietà di una di esse (che, come abbiamo visto prima, è indefinita fino al momento dela misura), faremo diventare definita la proprietà non solo della particella misurata, ma di tutte le particelle coinvolte. Questo ci aiuta a misurare in una sola volta lo stato di tutti i qbit, ma nondimeno, al crescere del loro numero, produrre insiemi di qbit legati dall’entanglement diventa molto complicato. Infine, perché tutto questo abbia un senso occorre che non ci siano influenze dal mondo esterno: qualunque interfernza causa la decoerenza, cioè interrompe l’entanglement e rende impossibile leggere il valore dei qbit. Per evitare la decoerenza occorre prendere misure drastiche, come lavorare vicino allo zero assoluto.

Nonostante tutto questo, esiste già chi produce un computer quantico: l’azienda canadese D-Wave ha recentemente venduto alla Lockeed-Martin per dieci milioni di dollari un primo esemplare di computer quantico, il D-Wave One. C’è però chi è scettico: un esperto del settore come Scott Aaronson ha dichiarato più volte che al momento attuale non esiste una tecnologia in grado di fare ciò che D-Wave dichiara (anche se ultimamente si è dichiarato disposto a rivedere il proprio giudizio di fronte a prove più approfondite).
Tuttavia c’è chi è ancora più scettico, e ritiene che i computer quantici siano una bufala, “Il moto perpetuo del 21esimo secolo”, qualcosa che è fisicamente impossibile costruire. Secondo costoro, al crescere del numero dei qbit cresce la difficoltà di leggerne i valori isolando il segnale dal rumore, e si raggiungerà ben presto un limite massimo oltre il quale i computer quantici non potranno andare. Un limite che non permetterà di usarli per scopi effettivamente utili. Aaronson non è d’accordo, e sul suo blog ha lanciato una sfida: pagherà 100.000  $ a chi dimostrerà in modo convincente che esiste un limite fisico, e non solo tecnologico, alla costruzione di computer quantici di potenza a piacere.
È una sfida che ha un sapore filosofico. Non si tratta solo di risolvere un problema tecnico, ma di andare a vedere se il mondo del tutto controintuitivo dei quanti, in cui non c’è nulla di definito e ogni cosa assume più stati contemporaneamente, è confinato nel regno dell’infinitamente piccolo, o se invece noi possiamo sfruttare le sue proprietà nel mondo macroscopico per effettuare un calcolo.  Finora chi si bocciava le teorie quantistiche come impossibili o assurde ha sempre avuto torto, vedremo come andrà questa volta.
Su questo tema ho scritto un articolo pubblicato sulla prima pagina di Nòva 24 di domenica 5 marzo. Potete leggerlo facendo clic quì sotto: