Computer quantici, la rivoluzione che sta arrivando

Computer quantici, la rivoluzione che sta arrivando

 

Un’onda silenziosa ma altissima sta arrivando e potrebbe cambiare la nostra vita quotidiana in maniera che tuttora facciamo

fatica a immaginare. Si tratta di un oggetto divenuto ormai di utilizzo quotidiano e che ci aiuta nelle più disparate operazioni:

il computer. Come spesso accade, quando si ritiene di esser arrivati a un punto di non ritorno, arriva il momento in cui tutto

rischia di poter cambiare, minando molte certezze acquisite. Pochi tra i non addetti ai lavori sanno cosa sia un computer

quantico. Si tratta di un concetto difficile da spiegare che unisce l’ingegneria informatica alla fisica quantistica, la quale risulta

essere il modello teorico attualmente più affidabile per spiegare il comportamento della materia. Con la sua elaborazione le

carte in tavola delle scienze naturali sono cambiate drasticamente quando si credeva forse di essere arrivati a un buon punto.

Cambiare le carte in tavola è proprio quello che promette di fare questa nuova generazione di computer.

Cerchiamo di capire insieme di che si tratta in quella che vuole essere un’introduzione generica a un tema complessissimo e in

continua evoluzione

 

Differenze con i computer classici

 

I computer secondo l’idea concepita nel XX secolo utilizzano il linguaggio binario, i cui messaggi sono formati da lunghe serie di 0 e 1.

L’unità è il bit, che può essere esclusivamente 0 o 1: I bit nella pratica fattuale corrispondono a dei transistor, definibili genericamente come

dei piccoli interruttori, quando questi sono chiusi il bit ha valore 0, quando sono aperti trasportando energia elettrica il bit ha

valore di 1.

 

I computer tradizionali sono sostanzialmente sequenze di interruttori che dicono sì o no, mentre questa nuova generazione di

computer quantici invece utilizza come unità di misura particelle subatomiche, applicando i principi della fisica dei quanti ,

termine usato per indicare la quantità indivisibile, il valore più piccolo fisicamente possibile, quindi la particella elementare

associata a un dato campo di forze.

Può essere utilizzato l’elettrone, particella a carica negativa che nella rappresentazione classica dell’atono ruota in orbita

attorno al suo nucleo e attorno al suo asse.

Vengono utilizzati gli ioni, cioè atomi sprovvisti di  elettrone, per immagazzinare l’informazione facendo loro acquisire le

cariche elettriche da interpretare appunto come dati.

La rotazione degli elettroni può essere influenzata da un campo magnetico e in base a questo può girare in senso orario

(definito spin up) e in senso antiorario (spin down).

Quindi un allineamento rappresenta lo zero e un altro rappresenta l’1.

 

 

In che consiste il cambiamento tecnologico?

 

Laddove nei computer classici si utilizza il bit come unità di misura dell’informazione nei computer quantistici (o quantici) si

utilizza il Qubit.

Il qubit, la nuova unità di misura 

 

L’unità fondamentale  di scambio di dati è quindi il bit quantistico o qubit, termine coniato dal fisico Benjamin

Schumacher,  legato allo stato in cui si trova una particella o un atomo e le cui

peculiarità permettono di svolgere i calcoli in modo molto più veloce.

Infatti, mentre nel metodo computazionale classico ogni bit è rappresentato da zero o uno (sistema binario), nel computing

quantistico il qubit può avere valore di zero e uno contemporaneamente. Questo è possibile grazie alla sovrapposizione degli

stati quantistici, chiamata anche sovrapposizione quantistica. Come avviene? Fintanto che l’elettrone non viene osservato

l’elettrone è portatore di entrambi i valori, per poi assumere uno dei due stati quando viene osservato perché nella fisica

quantistica è proprio l’osservatore a terminare il comportamento delle particelle minime.

 

Qbit
Rappresentazioni grafiche del Bit classico e del Qubit

 

 

 

 Ciò comporta la possibilità di effettuare i calcoli in parallelo invece che uno per volta, moltiplicando esponenzialmente

potenza e velocità anche per calcoli estremamente complessi, riducendo quindi drasticamente i tempi di elaborazione

Per comprendere questo concetto contrario alla nostra esperienza comune è stato elaborato un noto esperimento mentale.

 

 

Gatto vivo o gatto morto?

l paradosso del gatto di Schrödinger è un stato ideato nel 1935 dal fisico Erwin Schrödinger per rendere più chiaro un

questo antintuitivo concetto base della meccanica quantistica. È diventato abbastanza noto nella cultura pop per via di

numerose citazioni in lungometraggi cinematografici e sit-com.

 

Gatto di Schrodinger
Gatto di Schrodinger.

 

C’è un gatto all’interno della scatola al cui interno c’è un gatto e in una fiala una piccola porzione di una sostanza radioattiva,

capace di essere letale per il felino. Se il contenitore viene rotto l’animale, entrato a contatto con la sostanza tossica potrebbe

morire. Ma per scoprire se il gatto è ancora vivo bisogna aprire la scatola. Fino a quel momento esso può considerarsi sia vivo

che morto: questo è il Principio di sovrapposizione.

Gatto di Schrodinger vivo
Quando al gatto di Schrodinger va bene…

.

Grazie a questa proprietà si può misurare un q bit e determinare da ciò le informazioni contenute nei qbit adiacenti, attraverso

il ricorso a un complesso calcolo di probabilità facendo ricorso a specifici algoritmi matematici.

Ciò permetterebbe di maneggiare contemporaneamente una quantità di dati potenzialmente infinita e si aprono scenari

immensi difficili da immaginare.

 

 

I principi della struttura di questi nuovi computer

 

I computer quantici attualmente hanno l’aspetto di delicatissimi cilindri che devono tassativamente stare in una temperatura

estremamente bassa, prossima allo zero assoluto, in quanto ogni minima interazione  con l’ambiente esterno farebbe perdere

ai qbit la capacità di immagazzinare dati. L’architettura è finalizzata allo sfruttamento ioni affinché, come si è visto,  a possano

reagire alle cariche elettriche, intrappolati in campi elettrici.

Per far funzionare queste complessissime macchine, i ricercatori si sono affidati agli strumenti elettronici esistenti e agli

strumenti di calcolo a rack, i sistemi di installazione dei componenti hardware, ad alte prestazioni per collegare i processori che

sono posizionati all’interno del frigorifero criogenico (cioè appunto dalla capacità di produrre bassissime temperature).

Questi dispositivi sono spesso progettati su misura per controllare i singoli qubit, e richiedono centinaia cavi di connessioni

dentro e fuori dal frigo criogenico per controllare il processore quantistico. Sostanzialmente è che questi calcolatori fanno

tornare alla mente le  tecnologie  da fantascienza “steampunk”, ricordando vecchie tecnologie, essendo questi computer

caratterizzati da un fitto groviglio di cavi.

Computer quantistico di Google
Computer quantistico di Google

 

Il salto di qualità

 

Come si è detto un  bit in un comune computer rappresenta o uno 0 o un 1, non di più perché il transistor non può essere sia

aperto che chiuso allo stesso tempo. Un qbit, essendo sia 0 che 1 , rappresenta 2 informazioni, il doppio.

Secondo questo principio 2 ne contengono 8 4 ne contengono 16 e così via: il numero di informazioni cresce

esponenzialmente: la quanti tà di dati viene così moltiplicata elevata a 2 per la quantità di qbit disponibili.

 

Come si leggono i dati trasportati dai qubit?

 

L’Entanglement Quantistico

 

L’Entanglement Quantistico  è un fenomeno quantistico alla base dell’utilizzo dei dati trasportati dai qubit e la correlazione tra loro.

Secondo questo principio in determinate condizioni due o più sistemi fisici rappresentano sottosistemi di un sistema più

ampio, il cui stato quantico non è descrivibile singolarmente, ma solo come  sovrapposizione di più stati (il termine inglese significa groviglio, intreccio).

Da ciò consegue che la misura di un’osservabile di un sistema (sottosistema) determini simultaneamente il valore anche per

gli altri. Il valore di una particella resta quindi correlato, anche a distanza teoricamente infinita, a quello di altre particelle.

 

La rivoluzione in atto

 

Il primo computer quantico commerciale venne presentato da IBM a Las Vegas nel 2019: l’IBM Q System One. L’applicazione di

questa nuovissima tecnologia ora è realtà: già ora viene utilizzata per l’elaborazione di modelli finanziari, previsioni

metereologiche il più possibile affidabili o per la protezione di dati attraverso la crittografia.

I quantum computer sono calcolatori che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica, quella che studia le

particelle subatomiche.

Secondo Ned Allen, Chief Scientist della Locked Martin, azienda attiva nei settori dell’ingegneria aerospaziale e della

difesa, tanto per farsi l’idea di ulteriori campi d’applicazione già previsti, sarà possibile creare senza basarsi sull’esperienza pregressa:

“Ridurrà il fabbisogno di energia elettrica per l’informaticas. Nei computer classici c’è bisogno di aver tutte le informazioni

possibili su un problema da affrontare e questo invece in quelli quantistici non sarà più necessario: sarà così più facile fare

scoperte, inventare. Esso creerà in maniera imprevedibile e questo sarà il principale vantaggio che avremo in futuro”.

Difficile fare previsioni dettagliate sul potenziale che soggiace in questa nuova strabiliante tecnologia.

Una cosa però è certa: dovranno nascere nuovi linguaggi di programmazione e si dovrà pensare a dispositivi più pratici da

utilizzare di questi primi computer quantici estremamente delicati e difficili da maneggiare.

Le possibilità di calcolo appaiono enormi, quasi infiniti i campi di applicazione, inevitabilmente questo porterà anche dei possibili rischi da soppesare.

Investire nell’istruzione e nella ricerca scientifica (serviranno ancora più fisici, ingegneri elettronici e informatici)  ma anche in quella umanistica,

bistrattata ma comunque necessaria per contestualizzare i possibili cambiamenti in atto o valutare eventuali questioni etiche,

dovrebbe essere una scelta obbligata.

Occorre prestare molta attenzione e aggiornarsi, pena lasciarsi rimanere indietro dal corso della Storia.

Pochi se ne sono accorti ma una nuova era sta già iniziando.

 

Computer quantico
Computer quantico

Riferimenti

 

Il computer quantistico arriva nel business. Ecco cos’è, come funziona e quali sono le prime applicazioni commerciali

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David Sciuga

Si è laureato con lode prima in Lettere Moderne poi in Filologia Moderna presso l’Università degli Studi della Tuscia. Successivamente ha conseguito il Master di II livello in Management presso la Bologna Business School. La sua tesi di laurea magistrale “La critica della civiltà dei consumi nell’ideologia di Pier Paolo Pasolini” è stata pubblicata da "OttoNovecento", rivista letteraria dell'Università Cattolica di Milano, ed è tuttora disponibile sul portale spagnolo delle pubblicazioni scientifiche Dialnet. Da giornalista pubblicista ha lavorato per il Nuovo Corriere Viterbese e per diverse testate locali, inoltre è anche blogger, aforista e critico cinematografico. Ha collaborato con il festival teatrale dei Quartieri dell’Arte e con l’Est Film Festival, di cui è stato presidente di giuria. Come manager di marketing e comunicazione ha lavorato per STS Academy, agenzia di formazione di security e intelligence. Il suo racconto "Sala da ballo" nel 2012 è stato incluso nell’antologia del primo concorso letterario nazionale "Tracce per la Meta". Sempre nello stesso anno è stato premiato con il secondo posto al Premio Internazionale di poesia “Oggi Futuro” indetto dall’Accademia dei Micenei. È stato moderatore di conferenze di geopolitica dove sono intervenuti giornalisti di rilievo nazionale. Nel 2018 ha pubblicato il suo primo romanzo "Due fratelli" con la casa editrice Lulu.com. Collabora con il web magazine "L'Undici".

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