Computer quantistici: ecco come saranno i PC del futuro

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Il ventunesimo secolo è l’era dei computer, ed al giorno d’oggi ognuno di noi è in grado, in un modo o nell’altro, di avere accesso ad una di queste macchine. Ciclicamente, ogni due anni, la velocità dei processori raddoppia, seguendo quella che in informatica viene chiamata la legge di Moore. La velocità di un processore, inoltre, è determinata dalla velocità di clock, ovvero il numero di commutazioni di 0 e 1 che un microprocessore può fare in una unità di tempo. La velocità con cui il nostro PC compierà le sue operazioni, è dunque determinata dalla potenza del nostro processore.

Nel 2005 venne presentato il primo processore dual core, il quale permetteva ad ogni core di lavorare su una specifica frequenza, così da permettere un calcolo parallelo. Ma questa soluzione fu adottata per necessità, più che per innovazione. Infatti il livello di velocità di clock raggiunto in quegli anni, era così elevato, da compromettere l’integrità dei circuiti.

Ad oggi i principi fisici applicati ai nostri computer, sono rimasti invariati. Quello in cui tutti sperano, adesso, è che i progressi nella ricerca dei computer quantistici comincino a dare i loro frutti. Ma le cose non sono semplici come possono sembrare.

Il primo ad ipotizzare un computer quantistico è stato il premio Nobel Richard Feynman, nel 1981, quando al MIT si tenne il primo convegno sul rapporto tra fisica e computazione. Per costruire un computer quantistico è necessario cambiare totalmente il tipo di fisica applicata al calcolo computazionale. La determinazione assoluta del macromondo, deve fare spazio all’indeterminazione del mondo subatomico; la meccanica classica, dunque, deve fare posto a quella quantistica.

La meccanica quantistica sconvolge l’idea comune della realtà, mostrando, ai livelli subatomici (il mondo delle particelle), una fisica completamente differente da quella classica. Il mondo quantistico, funziona attraverso le probabilità. Non è possibile sapere, lanciando una particella, dove essa andrà a finire, ma è solo possibile conoscere la probabilità di dove andrà a cadere. Questa indeterminazione, però, non è determinata dagli strumenti inadatti, ma è una caratteristica fondamentale della natura; il mondo delle particelle funziona così.

Applicando i principi quantistici come l’entanglement, o il principio di indeterminazione di Heisenberg, è possibile gestire il calcolo computazionale, in maniera estremamente più potente.

L’informazione, che normalmente viene conservata all’interno di un hard disk, sottoforma di 0 o 1, nei computer quantistici viene conservata in una sovrapposizione di stati. I bit, quindi, si trasformano in Qubit, dove: un bit può assumere la forma di 0 o 1, mentre un Qubit, può diventare 0, 1 o la sovrapposizione di entrambi. Un Qubit, infatti, è dotato di due ampiezze di probabilità, A0 e A1. A questo punto, è semplice notare che due Qubit combinati, possono offrire quattro possibili combinazioni di 0 e 1 (A00, A01, A10, A11), a differenza di un due bit combinati, i quali possono assumere solo la forma o di 00, o 01, o 10, 0 di 11. Ad ogni Qubit che si aggiunge al sistema, le ampiezze raddoppiano, così da ottenere, nel caso di 250 Qubit combinati, una quantità di informazione che si aggira intorno al numero di atomi presenti nell’universo.

I problemi connessi a questi computer, però, non sono pochi. Le temperature bassissime, necessarie al funzionamento di queste macchine, il margine di errore intrinseco nella computazione quantistica, e la difficoltà nel padroneggiare il fenomeno dell’entanglement necessario per far crollare il sistema, così da renderlo leggibile, sono tutti problemi non semplici da sormontare. A noi non resta altro che stare a vedere, e ipotizzare quelli che potranno essere i metodi con cui i computer quantistici verranno realizzati.

Atomi artificiali. Di solito, l’informazione sottoforma di Qubit, viene estrapolata da nuclei atomici, ioni o elettroni, ma questa prima applicazione presuppone che le cose siano diverse: gli atomi saranno artificiali, e le loro proprietà saranno progettate a puntino. L’importanza di questi atomi artificiali, è determinata dalla possibile risoluzione al problema dell’ampia gamma di frequenze. Una particella, infatti, è anche un’onda; e ciò determina che possibili oscillazioni che potrà compiere, si estendano per tutti i valori di frequenza disponibili nello spettro elettromagnetico. Attraverso un dispositivo chiamato giunzione Josephson, in onore del suo inventore Brian Josephson, è possibile ottenere soltanto due frequenze da un Qubit, ottenendo così l’informazione analoga a 0 e 1.

Ma questo non è l’unico metodo per ottenere l’informazione sottoforma di Qubit. Il dottor Amir Yacoby, della Harvard University, sta producendo esperimenti per ottenere la codifica dell’informazione dagli spin degli elettroni. Lo spin è una proprietà comune a tutte le particelle, che indica la direzione di rotazione della particella su se stessa. Le possibilità sono due: sin giù o spin su. In questo modo è semplice osservare l’analogia con gli 0 e 1 dell’informazione computazionale. Il problema, in questo caso, è determinato dal collasso del sistema. Ma facciamo un passo alla volta. Quello che ancora non è stato analizzato in questo articolo, è il senso più profondo della meccanica quantistica: la sovrapposizione degli stati. Quando una particella si trova da sola, senza interagire con nessuna fonte di luce, né con un osservatore, né con niente di niente, i sui possibili stati si trovano miscelati tra loro. Ad esempio, il suo spin, che può essere su o giù, durante la sovrapposizione degli stati si trova miscelato in entrambe le possibilità. La particella, dunque, avrà spin giù e spin su. Dal momento in cui un osservatore interagisce con essa, (illuminandola per osservarla, dunque, sparandogli contro dei fotoni) la sua funziona d’onda di probabilità collassa, e il suo spin, d’un tratto, diventa determinato: o è su o è giù. Nel caso dei computer quantistici, l’interferenza del sistema esterno, potrebbe compromettere la codifica dell’informazione, dunque è necessario ottenere un sistema isolato, che non sia influenzato dall’esterno; è anche vero però, che per controllare il calcolo, dovrà esserci qualcosa di esterno che interagisca con il sistema. Dal momento in cui questa contraddizione logica sarà risolta, probabilmente l’uomo potrà cominciare ad utilizzare i computer quantistici per i suoi calcoli.

Ioni intrappolati. I precedenti metodi potrebbero un giorno rivelarsi i migliori, ma non sono i soli candidati per la costruzione dei computer quantistici del futuro. All’Università di Washington, si sta lavorando su atomi e ioni con carica in equilibrio. Il metodo utilizzato dal gruppo di ricerca, è quello degli ioni intrappolati, che consiste nel confinare nello spazio gli ioni, utilizzando campi elettromagnetici. L’informazione quantistica, in questo caso, viene memorizzata nei livelli elettronici di ogni ione, e, può essere trasferita attraverso i moti collettivi degli ioni quantizzati. Il problema, in questo caso, si fa più grande ad ogni ione che si aggiunge al sistema. I campi elettrici, e i laser da raffreddamento, devono essere estremamente più precisi ad ogni Qubit che si aggiunge al sistema. Per aggirare questo problema, il gruppo del professore Blinov -professore associato di fisica e ricercatore principale presso l'Università di Washington - sta utilizzando un approccio modulare, che prevede l’utilizzo di diversi chip trappola. Ogni chip conterebbe un numero non troppo elevato di ioni, e le loro interazioni dovrebbero essere compiute tramite irradiamento di fotoni, trasportati da una rete di fibra ottica. I fotoni che entrano in contatto con gli ioni intrappolati, dovrebbero legarsi con in entanglement, e quindi ricevere le informazioni degli ioni, cosicché, una volta irradiati nel sistema, permetterebbero agli altri ioni di interagire a livello quantico.

Insomma, al momento non è possibile fare previsioni certe su quale sarà la futura tecnologia in grado di permettere la realizzazione di computer quantistici. Ognuna di queste possibilità, un giorno, potrà rivelarsi la vincente. Ma esiste anche la possibilità che la realizzazione di questi computer resti per sempre una mera utopia. Pper il momento, dunque, l’unica cosa che possiamo fare, è fantasticare sulla potenza che potrà essere raggiunta da questi computer quantistici. L’intero spettro della conoscenza umana potrebbe essere influenzata dalla nascita di questi super computer. A queste macchine potremo far risolvere modelli di una complessità tale, da essere impensabile per i computer attuali. E la nostra conoscenza potrebbe essere ampliata a livelli inimmaginabili. In ogni caso, la risposta che ci fornirà la verità, ancora una volta, risiede nel futuro.

Andrea Tasselli

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