L’avvento dei computer quantistici potrebbe essere una scoperta scientifica straordinaria

Nello studio IBM a Yorktown Heights in New York, il primo computer quantistico a 5 q-bit e ora una risorsa cloud accessibile a tutti tramite la sua IBM Cloud Platform. Si ritiene che questi computer possano risolvere problemi matematici 100 milioni di volte piu velocemente rispetto a quanto farebbe un computer ‘tradizionale’. Un risultato davvero notevole. Nonostante i computer quantistici rappresentino all’interno della comunita scientifica una rivoluzione tecnologica, il motivo per cui questi nuovi computer rappresentano una svolta spesso non e immediatamente identificabile. Per capire meglio cosa contraddistingue i computer quantistici dobbiamo fare un passo indietro e spiegare prima quali sono i limiti dei computer classici. I computer tradizionali sono basati sul silicio, il quattordicesimo elemento della tavola periodica, che rappresenta uno dei semiconduttori che troviamo piu in abbondanza sulla terra e che puo inoltre essere facilmente lavorato per creare cristalli quasi perfetti. Questi cristalli vengono poi utilizzati nella creazione dei transistor che possono essere pensati come degli interruttori, che permettono o interrompono il passaggio di corrente. Questi transistor vengono poi assemblati in particolari circuiti, i quali, insieme ad un computer software, permettono di effettuare operazioni di calcolo. Il fatto che i transistor siano fondamentalmente degli interruttori, implica che hanno solo ha due stati possibili, on e off, i quali corrispondono ai bit, dall’inglese binary digit, 1 e 0. I bit rappresentano l’unita di misura dell’informazione con la quale il computer puo effettuare varie operazioni. La potenza di calcolo di un processore diventa quindi proporzionale alla quantita di transistor che esso contiene, si pensi che, il processore piu potente della intel, il 22-core Xeon Broadwell-E5, contiene circa 7,2 miliardi di transistor. Ma anche se i numeri sono cosi esorbitanti ci sono problemi matematici di complessita talmente alta che anche un processore cosi potente impiegherebbe piu della vita che rimane alla terra stessa. Vediamo ora fino a che punto un computer tradizionale puo essere comparato ad uno quantistico. Un computer quantistico, invece dei transistor, usa lo stato quantistico di una particella elementare come bit di informazione. In questo caso, gli stati descritti da 0 e 1, rappresentano il momento angolare interno di una particella subatomica, quello che piu comunemente viene chiamato spin. La direzione del momento angolare segue il campo magnetico, come una bussola, ma puo variare la sua direzione, cosi che possono venire stabilite due direzioni di riferimento, spin-up/spin-down. Questi due stati sono quelli che, seguendo questa analogia, possono essere associati con i bit, 1 e 0, quindi gli stati on/off del transistor corrisponderebbero, rispettivamente, a spin-up/spin-down. Sfortunatamente il nostro parallelo tra computer tradizionali e quantistici finisce qui, ma allo stesso tempo possiamo finalmente capire cosa contraddistingue davvero il computer quantistico. Uno dei fenomeni piu strani della meccanica quantistica, insieme a molti altri, e il principio della sovrapposizione. Con sovrapposizione, in senso tecnico, si intende la capacita quantistica di occupare contemporaneamente piu possibili stati di una particella subatomica. Per esempio un elettrone che normalmente si trova in uno dei due stati, spin-up/spin-down, puo trovarsi in entrambi gli stati simultaneamente. Questo significa anche che un q-bit puo rappresentare entrambi gli stati 1 e 0 contemporaneamente. Quindi, a differenza di un computer classico, dove l’unita di informazione di base e un solo bit, 0 o 1, in un computer quantistico l’unita di informazione di base e il q-bit, o quantum bit, che viene descritto da 0 e 1 simultaneamente. Se ora consideriamo tutte le possibili combinazioni di un sistema classico a 2 bit, scopriamo che ci sono 4 possibili configurazioni (00, 10, 01, 11), ma un computer tradizionale a 2 bit puo eseguire solo una di queste funzioni alla volta e per eseguirle tutte dovrebbe ripetere l’operazione separatamente 4 volte. Un computer quantistico a 2 qbit, grazie al fenomeno della sovrapposizione, e in grado di analizzare tutte le 4 possibilita simultaneamente con una sola operazione, mentre un computer a 4 q-bit potrebbe analizzare 16 stati paralleli con un’unica operazione. Diventa chiaro come la potenza di calcolo cresce esponenzialmente con l’aumentare dei q-bit. Un computer a 500 q-bit sarebbe capace di processare piu stati di informazione, contemporaneamente con un’unica operazione, di quanti atomi ci sono nell’universo. Nessuno sa cosa ci aspetta con l’avvento di questi nuovi computer ma allo stesso tempo le possibilita che si sono aperte per la scoperta scientifica sono straordinarie.