Come funziona un computer quantistico

Qualche tempo fa, IBM ha messo a disposizione un computer quantistico utilizzabile tramite cloud, e ho deciso di sperimentare anch'io quest'oracolo postmoderno. Ma prima di farlo ho cercato di scoprire con cosa (o chi) avrei avuto a che fare.

Il tempo dei supermega computer si avvicina, dobbiamo iniziare a pensare con un nuovo schema non binario per produrre un codice di semplice sintassi per svolgere calcoli complessissimi. E alla IBM si portano avanti coi tempi fornendo tutorial semplici e gratuiti per formare utenti in grado di utilizzare questa tecnologia.

Alla fine dell'anno scorso, anche Google ha comprato un computer quantistico per migliorarlo grazie alle ricerche del Gruppo Martinis della UCSB Università della California Santa Barbara. E proprio a giugno, ha annunciato di averlo fatto funzionare con prestazioni 100 milioni di volte più efficienti di un computer normale. Ovviamente, tutta questa potenza di calcolo non serve per andare più veloce su Google, Facebook e altri passatempi. Ma allora: che cos'è e da dove salta fuori questo computer quantistico?

Inizialmente, nasce per rispondere a una folta classe di problemi la cui complessità di calcolo cresce esponenzialmente all'aumentare dei dati: come fa il DNA a replicare se stesso? Quali sono i fattori di 6378294756527939176623635562515637484993….? Come si dispongono gli invitati nei tavoli di un ricevimento nuziale?

Se formulati in linguaggio binario, questi problemi richiedono tempi di elaborazione più lunghi anche dell'aspettativa di vita del nostro sole. D'altra parte, anche la legge di Moore, formulata ipotizzando calcolatori basati su un linguaggio binario, risulta superata dato che i nuovi interruttori sono assimilabili ad atomi.

Nel 1984, David Deutsch fu il primo a mettere in luce i limiti nel linguaggio binario dell'architettura di Alan Turing, ipotizzando un computer quantistico universale il cui linguaggio fosse basato sull'interazione dei quanti.

Il passaggio dalla teoria alla pratica, per la difficoltà nel controllo delle particelle quantistiche, si è rivelato più complesso del previsto e forse solo oggi se ne intravede una soluzione. Come spesso succede, la spinta fondamentale per realizzare le utopie è data da una minaccia reale percepita in termini di sicurezza o di perdite economiche. In questo caso, gli investimenti e, più in generale, l'interesse verso un computer quantistico universale venne sollevato dall'algoritmo di Shor, inventato nel 1994, per fattorizzare cifre enormi in tempi brevissimi, grazie alla computazione quantistica.

La fattorizzazione consente di ridurre un numero grande nel prodotto di numeri primi più piccoli, detti appunto fattori. I fattori di 21 ad esempio sono 7,3,1. Un gioco da ragazzi. Peccato che, se si affidasse il calcolo dei fattori di un numero con trecento cifre al pc più potente in circolazione, questo impiegherebbe 13 miliardi di anni (circa l'età dell'universo) per trovarli. Avanti e indietro, da zero alla cifra.

Un computer quantistico ci metterebbe solo 43 minuti: il tempo di una seduta dall'analista.

I fattori primi sono i pilastri della crittografia e, proprio per la loro impossibile computazione da età dell'universo, sono alla base della sicurezza delle chiavi pubbliche che usiamo quando ci logghiamo in ogni dove nell'internet.

Ecco svelato il motivo dei massicci investimenti, non si tratta solo di sapere il perché della vita.

Cosa c'è sotto/dentro?

Il computer quantistico opera con strumenti delicatissimi, calibrati nell'ordine delle lunghezze d'onda dell'atomo, con all'interno dispositivi che mantengono il tutto a temperature vicine allo zero assoluto—questo perché la vivacità della materia si abbassa notevolmente col freddo.

Per temperature vicine a zero gradi Kelvin—(-273°C) temperatura irraggiungibile per il secondo principio della termodinamica—la materia è più stabile e può essere manipolata quantisticamente.

Più in dettaglio, la computazione interna avviene in maniera parallela. Ogni dato non è rappresentato da una sequenza di 0 e 1 (che necessita di vari interruttori che vanno accesi o spenti) ma una funzione di probabilità che coinvolge più particelle contemporaneamente i cui valori limite sono 0 e 1.

La stessa differenza che passa dal trovarsi di fronte a una persona che risponde alle vostre domande solamente con dei sì o dei no, oppure qualcun altro che, dopo essersi consultato con gli altri, assegna un valore di probabilità alle due opzioni: "guarda, direi 60% sì e 40% no." La meccanica quantistica ha, di fatto, quest'unico potere: attribuire una probabilità alla manifestazione di un evento qualsiasi. Quindi far vivere il paradosso: non più acceso O spento ma acceso E spento.

Tornando alla simbologia software, un bit classico può avere solo uno stato per volta: 0 o 1 mentre un Quantum Bit (qubit) è una particella quantistica che può esistere in due stati contemporaneamente, assumendo solo come valore limite lo zero (stato fondamentale) oppure l'uno (stato eccitato). Esso quindi non assumerà soltanto i valori limite 0 e 1 ma potrà essere contemporaneamente nei due stati con una certa probabilità, quindi, in teoria, contemporaneamente sì e no.

Immaginate quindi di avere tante particelle dentro enormi frigoriferi che ricevono luce sotto forma di vari laser e interagiscono fra loro, influenzandosi reciprocamente. E di poter controllare queste influenze per produrre il risultato cercato grazie agli algoritmi quantistici.

Deve cambiare l'apparato teorico: non più informatica basata su interruttori (anche se piccoli come i transistor) ma manipolazione della materia con le sue reazioni alla luce, in definitiva, dei circuiti meno ottusi.

Questo ci porta ad immaginare un computer che, dopo avere effettuato in pochissimo tempo i suoi calcoli, abbia ancora tempo e spazio in memoria sufficienti per analizzare i suoi stati interni di continuo: in pratica, un computer in grado di simulare la coscienza. Una ipotesi che mi fa molta paura: non voglio neanche immaginare quanto si annoierebbe e quanto soffrirebbe di solitudine un cucciolo di automa quantistico.

E se è un rompipalle poi chi lo spegne?

Per ulteriori approfondimenti:

La dispensa di un liceo svizzero che vi farà sentire scemi

Un libro per gli insegnanti delle scuole superiori che vi farà insegnare

Simulating Physics with Computers, un articolo del 1981 del maestro Feynman che è sempre piacevole leggere

Un video di RAI NETTUNO che spiega tutto agli italiani che soffrono d'insonnia

Il pellegrinaggio Quantum Experience gentilmente offerto dalla IBM