Il Computer quantistico
Tutti hanno un'idea di come sia fatto, almeno esternamente, un computer
Ma se si potesse osservare un computer quantistico che cosa si vedrebbe? Certamente qualcosa di molto diverso da un computer tradizionale. Probabilmente si riconoscerebbero ancora uno schermo e una tastiera, ma il resto sarebbe molto differente.
Si vedrebbero dispositivi dalle forme inconsuete, come generatori di onde elettromagnetiche o di impulsi laser o, ancora, complessi dispositivi di raffreddamento. E i circuiti del computer quantistico, se di circuiti si puo' parlare, sarebbero anch'essi profondamente diversi. La maggior parte dei prototipi di circuiti quantistici, finora realizzati, sono aggregati di atomi o molecole, talora sospesi nel vuoto o immersi in sostanze liquide, e sottoposti a campi magnetici o a radiofrequenze.
Gli odierni computer non sono altro che realizzazioni fisiche della
macchina di Turing universale. Pur con delle sostanziali differenze, anche il piu' semplice PC puo' affrontare, seppur piu' lentamente, qualsivoglia problema risolubile da un supercomputer. Il computer quantistico e', invece, una macchina del tutto diversa, che, utilizzando i principi della
meccanica quantistica potrebbe affrontare problemi che, anche in linea di principio, sarebbero insolubili per qualunque computer classico.
Il computer classico e' una macchina in grado di simulare la realta' con un certo grado di approssimazione. La modellazione aerodinamica, la progettazione di nuovi materiali,
la bioinformatica consentono veri e propri esperimenti virtuali utili per comprendere i meccanismi della natura. La simulazione della realta' per mezzo del computer, dopo l'ipotesi teorica e l'esperimento, diventa il terzo pilastro della conoscenza scientifica.
La questione puo' essere posta in termini piu' generali, domandandosi quali sono i limiti di calcolo raggiungibili con una assegnata realizzazione fisica.
Si osserva, intanto, che per lungo tempo non si e' data molta importanza alle modalita' fisiche secondo le quali un dispositivo di calcolo viene realizzato. Soltanto recentemente, a seguito dell'incessante progresso della tecnologia di realizzazione dei moderni computer, si e' cominciato a percepire che i principi fisici secondo cui una macchina di calcolo e' realizzata non possono non avere un impatto determinante sul suo funzionamento da poter trasformare un problema insolubile in problema solubile
A questa seconda possibilita' comincio' subito a riflettere Richard Feynman, tentando di concepire una macchina funzionante sulla base dei principi della fisica quantistica e aprendo in tal modo un nuovo promettente capitolo per l'informatica. Nel 1981, al Massachusetts Institute of Technology (MIT) si tenne un convegno che sarebbe stato il primo sul rapporto che esiste tra fisica e computazione. Feynman, presento' una tesi dal titolo "Simulating Physics with Computers ". Feynman non vedeva nulla di particolarmente eclatante nelle simulazioni approssimate della realta' fatte fino ad allora dai computer. Era, invece, interessato alla possibilita' di ottenere una simulazione esatta attraverso un computer che potesse fare le stesse cose che fa la natura. Feynman gia' intuiva che la computazione non era solo una disciplina matematica ma anche fisica. La simulazione di un fenomeno sul computer classico richiede un mondo prevedibile in modo deterministico
Non ci sono incertezze nel comportamento di circuiti costituiti da miliardi di trilioni di atomi ed elettroni. "Ma un computer tradizionale fino a che punto può emulare il mondo quantistico?"si domandava Feynman.
L'argomento, in una quarantina di anni di ricerche, ha prodotto in ambito teorico notevoli risultati, per i quali si attendono nel prossimo futuro interessanti riscontri sul piano delle applicazioni.
La definizione tradizionale di unita' di informazione
il bit che poggia inevitabilmente su assunti di tipo classico, avendo come oggetto di riferimento un dispositivo a funzionamento classico quale un circuito bistabile, deve essere rivista ove si faccia riferimento a oggetti a funzionamento quantistico, quali lo spin di un elettrone o la polarizzazione di un fotone. Accanto al bit, basato su fenomeni di tipo classico, si deve collocare il qubit, la nuova unita' di informazione basata su fenomeni quantistici. Il concetto di entropia informativa deve essere opportunamente riveduto, diventa essenziale il concetto di informazione accessibile, ovvero della informazione che effettivamente si riesce a estrarre da un sistema quantistico per effetto di un'operazione di misura, ma cio' che da un punto di vista pratico e' assai piu' importante, si comincia a valutare la possibilita' teorica di concepire sistemi fisici con i quali effettuare operazioni impensabili con le tecniche classiche di computazione.
Gli effetti quantistici applicati alle macchine di calcolo
Alla base del funzionamento di processi di calcolo molto promettenti stanno alcuni degli effetti quantistici. A questo proposito, pero', varra' la pena di osservare che l'interesse per il calcolo quantistico non sta nel ripetere procedimenti e calcoli che possono essere eseguiti dai convenzionali computer a funzionamento classico, ma nel fatto che, mediante questa nuova tecnologia, operazioni che risultano impossibili con la tecnica tradizionale possono diventare possibili o, quanto meno, che operazioni eseguibili con scarsa efficienza con il calcolatore classico possono diventare molto più efficienti con la QC (Quantum Computing ). Resta tuttavia da osservare che i problemi sui quali si fonda la dimostrazione sono piuttosto particolari per cui la conclusione puo' lasciare qualche perplessita'. Fra i problemi non solubili con mezzi deterministici, ma possibili in termini quantistici, si cita il problema della generazione di numeri veramente casuali e il problema della fattorizzazione di numeri molto grandi, di altissimo interesse per la
crittografia. Ma sono gia' stati proposti algoritmi quantistici per il problema della ricerca efficiente in database (database search problem), per il calcolo dei cicli Hamiltoniani, per la soluzione del problema del commesso viaggiatore e di quello dei logarimi discreti. Infine, tutta la simulazione di fenomeni quantistici, cosi' importante per l'esplorazione del mondo microscopico, preclusa in forma classica, diventa possibile con la QC, come brillantemente presagito dal fisico Feynman.