Quantum computing

La scienza dell'informazione quantistica (o Quantum Information Science) è un campo di studi attualmente in forte crescita, che si concentra sull’applicazione della fisica quantistica alle attività di sviluppo delle tecnologie dell'informazione.

L'idea di un computer quantistico è stata proposta per la prima volta da Richard Feynman, premio Nobel per la Fisica, nel 1982. In un intervento al Meeting Nazionale dell'Associazione Americana per l'Avanzamento della Scienza, Feynman ha sostenuto che per descrivere in modo completo la natura, che si basa a livello microscopico sulle leggi della fisica quantistica, non può essere usato un computer classico: solo la meccanica quantistica, disse Feynman, può essere utilizzata per ideare e costruire un computer più adeguato a descrivere la natura a livello microscopico, un computer che funzioni in base alle stesse leggi che governano la natura che intende descrivere.

A Feynman all’epoca era dunque già chiaro un punto cruciale che spesso è motivo di confusione ancora oggi. Un computer quantistico non è un computer classico con prestazioni superiori. Così come una candela non potrà mai essere migliorata tecnicamente fino a farla diventare una lampadina (vista la diversa natura dei processi fondamentali alla base di candela e lampadina), allo stesso modo un computer quantistico è qualcosa di diverso dalla sua controparte classica, che fonda il suo funzionamento su concetti di base completamente differenti. Questo profondo cambio di paradigma computazionale spinge a ritenere che oggi, dopo la prima rivoluzione quantistica dell’inizio del XX secolo, stiamo attraversando una seconda rivoluzione, che coinvolge la scienza dell'informazione quantistica. Come in ogni processo trasformativo profondo, le idee innovative si scontrano spesso con grossi ostacoli tecnici e di implementazione: lo stesso Feynman espresse piena consapevolezza delle difficoltà tecniche da affrontare per riuscire a realizzare un computer quantistico, ma sostenne che questo approccio sarebbe stato capace di affrontare problemi di complessità tale da essere altrimenti del tutto intrattabili con un computer classico.

Richard Feynman nel 1959 ©Public domain, via Wikimedia Commons

Per addentrarsi in tale disciplina, è necessario introdurre alcuni concetti dalla fisica quantistica, che ne costituisce la base concettuale. La fisica quantistica è una branca della fisica fondamentale che descrive il comportamento di materia ed energia su scale molto piccole, a livello subatomico. In base alla teoria quantistica, materia ed energia esistono allo stesso tempo sia come particelle discrete sia come onde continue, e queste due forme sono strettamente correlate. Tale impostazione ha portato alla teoria della relatività speciale di Albert Einstein, che descrive come la massa, l'energia e il tempo siano legati tra loro, ma anche allo sviluppo di tecnologie di straordinaria utilità in molteplici applicazioni, come il transistor e il laser.

Tra i concetti della fisica quantistica più rilevanti per la scienza dell'informazione quantistica emergono la sovrapposizione quantistica e l'entanglement quantistico.

La sovrapposizione quantistica

La sovrapposizione quantistica è la proprietà di una particella elementare di esistere in più “stati” contemporaneamente. In fisica quantistica, il concetto di stato quantistico di una particella è una descrizione matematica completa della sua posizione, velocità, spin e altre proprietà fisiche. Può essere descritto mediante una funzione d’onda, che descrive le probabilità di trovare la particella in uno dei suoi possibili stati. Tale funzione d’onda evolve nel tempo secondo le leggi della meccanica quantistica e ha la caratteristica particolare che - quando viene osservata, ovvero misurata - la particella collassa in uno stato specifico, ma prima che ciò avvenga essa esiste in tutti i suoi stati possibili con le associate probabilità.

Con un esempio semplificato, potremmo pensare a una particella elementare come a una “pallina quantistica” e affermare che, in base al principio di sovrapposizione, tale pallina può esistere in più stati (ad esempio, in più posizioni) allo stesso tempo, in contrasto con la nostra intuizione classica, secondo la quale una pallina in un dato istante può essere in una sola posizione alla volta.

Se immaginiamo di lanciare la pallina in aria e farla cadere a destra o a sinistra di un ostacolo, in base alla meccanica quantistica essa può essere sia a destra sia a sinistra dell'ostacolo allo stesso tempo, finché non viene osservata o misurata: solo in quel momento “collassa” in una posizione specifica. Lo stesso esempio si può applicare a proprietà più complesse di una particella, come lo spin, una proprietà intrinseca che può assumere solo due valori, che possiamo chiamare ad esempio “su” o “giù”: in base alla meccanica quantistica, una particella può avere lo spin sia “su” che “giù” allo stesso tempo, finché non viene misurato, e dunque collassa in uno spin definito.

Il concetto di sovrapposizione quantistica ha importanti implicazioni per la scienza dell'informazione quantistica, poiché può essere utilizzata per codificare, manipolare e trasmettere l'informazione in modi che non sono possibili con le tecnologie dell'informazione classiche. Contrariamente a un computer classico, in cui l’informazione è codificata utilizzando i bit classici (0 e 1), in un computer quantistico vengono utilizzati gli stati quantistici per rappresentare i bit di informazione.

Tali stati vengono indicati con il termine qubit, che può essere sia 0 che 1 allo stesso tempo, in “sovrapposizione”. Questo significa che, mentre classicamente possiamo codificare informazioni con sequenze di bit classici 0 o 1 - ad esempio, con due bit classici possiamo codificare solo uno tra i numeri 0, 1, 2 o 3 - quantisticamente, grazie alla sovrapposizione, con 2 qubit possiamo invece codificare questi quattro numeri contemporaneamente. Questa caratteristica consente a un computer quantistico di elaborare più informazioni contemporaneamente, riducendo in generale il tempo di calcolo necessario a risolvere alcuni problemi intrattabili con i computer classici.

L'entanglement quantistico

L'entanglement quantistico è una proprietà degli stati quantistici che permette a due (o più) particelle di essere correlate, anche se sono distanti l’una dall’altra. Tale proprietà consente di fornire per queste particelle una descrizione comune, tale che la misura di una di esse influenzi istantaneamente lo stato dell'altra, in modo del tutto indipendente dalla distanza che le separa.

Come la sovrapposizione quantistica, questo concetto non ha un analogo classico e offre importanti implicazioni per la scienza dell'informazione quantistica. Ad esempio, permettendo a più qubit di interagire tra loro, l’entanglement permette di eseguire operazioni su una vasta quantità di dati contemporaneamente. Iqubit intrappolati nell’entanglement possono infatti condividere il proprio stato, ovvero un cambiamento nello stato di un qubit influirà sugli altri: questo permette di eseguire più operazioni in parallelo rispetto a un computer classico, che deve elaborare invece un bit alla volta.

Entanglement di qubit quantistici in sovrapposizione © atdigit/Shutterstock

Un altro aspetto affascinante è che l’entanglement può anche essere utilizzato per trasmettere informazione da un punto a un altro in modo sicuro e affidabile impedendo che l'informazione possa essere intercettata o manipolata da un intruso. Questo è garantito dal teorema di non clonazione, secondo il quale non è possibile copiare o duplicare uno stato quantistico senza alterare l’informazione in esso contenuta: in un sistema crittografico quantistico, questo implica che non è possibile spiare un messaggio crittografato senza modificarne lo stato quantistico, il che verrebbe rilevato dal destinatario del messaggio.

Le possibili applicazioni del quantum computing

La scienza dell'informazione quantistica ha il potenziale di rivoluzionare molti campi della scienza e dell'industria nei prossimi decenni. Nella ricerca scientifica di base - come sottolineato dallo stesso Feynman nel 1982 - l’utilizzo di un computer quantistico aprirebbe la strada allo studio di sistemi quantistici e delle proprietà microscopiche della materia in modo del tutto rivoluzionario: i computer quantistici potrebbero essere utilizzati per simulare il comportamento di sistemi complessi, come le interazioni delle particelle in un campo quantistico o l'evoluzione di un buco nero.

I risultati ottenibili potrebbero portare a nuove intuizioni sulle leggi fondamentali della natura, accelerando in modo sconvolgente la ricerca in fisica fondamentale. In settori applicati come la crittografia, i computer quantistici potrebbero essere in grado di violare i metodi classici e aprire la strada allo sviluppo di metodi innovativi e più sicuri. Nella ricerca biomedica le applicazioni sono molteplici; nell'industria farmaceutica, per esempio, i computer quantistici potrebbero essere utilizzati per simulare il comportamento di molecole complesse, esplorando un’enorme quantità di possibili combinazioni con un tempo di calcolo ridotto, aiutando a progettare nuovi farmaci in modo sorprendentemente più rapido ed efficiente. Nel settore finanziario, i computer quantistici potrebbero essere utilizzati per eseguire complesse simulazioni in tempi ridottissimi, consentendo previsioni più accurate del comportamento del mercato.

Butirrilcolinesterasi etilfosforilata, un membro di una famiglia di proteine evolutivamente correlate.
Rappresentazione 3d. © ibreakstock/Shutterstock

Le sfide del quantum computing

Il potenziale del quantum computing è molto vasto e ci sono stati progressi e risultati nell’ultimo decennio sia in studi teorici sia in simulazioni di computer quantistici in centri di calcolo ad alta prestazione. Però ci sono ancora molte sfide da superare prima di poter realizzare compiutamente un computer quantistico che possa essere utilizzato per le applicazioni.

Una delle sfide più grandi è la progettazione e la costruzione di un computer quantistico che sia affidabile. Attualmente, i computer quantistici esistenti sono molto fragili, ovvero i loro qubit sono facilmente influenzabili da fattori esterni, come temperatura e radiazioni elettromagnetiche: questo ne rende difficile l’utilizzo in modo affidabile perché l'esecuzione di calcoli risulta ancora non sufficientemente accurata. Inoltre, i prototipi di computer quantistici realizzati finora hanno una potenza di calcolo limitata e, soprattutto per alcune tecnologie specifiche, non è ancora chiaro come renderli scalabili e dunque capaci di eseguire calcoli più articolati e complessi.

Le possibili tecnologie per costruire un computer quantistico

La ricerca tecnologica per costruire dei computer quantistici sta esplorando strade diverse. Eccone alcune:

• La tecnologia a superconduttori consiste nell’utilizzare circuiti elettronici a base di materiali superconduttori, che possono essere manipolati mediante campi magnetici. Questa tecnologia è relativamente facile da scalare, ma è molto sensibile agli errori e richiede basse temperature.
• La tecnologia a trappole per ioni consiste nel catturare ioni singoli in una trappola elettrostatica e utilizzare raggi laser per manipolare i loro stati quantistici. Si tratta di una tecnologia molto precisa e stabile, ma è difficile scalare a un numero elevato di qubit.
• Un altro approccio è quello degli atomi freddi, che consiste nel raffreddare gli atomi a temperature prossime allo zero assoluto, in modo da rallentare i loro movimenti e manipolare i loro stati quantistici. Si tratta di una tecnologia piuttosto stabile e che può essere facilmente scalata, ma con difficoltà nel controllo e che richiede temperature estremamente basse.
• Infine, la tecnologia a diamanti consiste nell’utilizzo di impurità presenti nei diamanti per creare qubit e manipolarli mediante impulsi laser. Questa tecnologia è molto stabile e può essere facilmente scalata, ma è ancora in fase di sviluppo e meno avanzata delle altre descritte.

Quale futuro?

Nonostante le numerose sfide tuttora aperte, il campo dell'informatica quantistica sta avanzando rapidamente, con ingenti contributi interdisciplinari dalla fisica, matematica, informatica, ingegneria. Nei prossimi decenni è probabile che l'informatica quantistica diventi più solida e, dunque, importante in molti campi della scienza e dell'industria, portando a nuove scoperte e innovazioni.

Tuttavia, stando a quello che sappiamo oggi e sulla base delle valutazioni di esperti nella scienza dell’informazione quantistica, il ruolo che i computer quantistici potranno ricoprire nella società digitale del futuro potrebbe essere molto differente rispetto ai computer classici: questi ultimi continueranno a dominare per disponibilità, facilità di accesso, flessibilità d’uso e in generale pervasività in ogni settore di attività umana.

Un calcolatore quantistico, almeno nel futuro che siamo in grado di ipotizzare, richiederà attrezzature relativamente costose e con molti oneri di gestione, competenze specializzate per utilizzarne in modo efficace i sistemi hardware e software, metodi e condizioni adeguate per la correzione degli errori quantistici (effetti del rumore sulle informazioni quantistiche memorizzate, porte quantistiche difettose, preparazione difettosa dei qubit, ecc).

Lo scenario più probabile che si apre di fronte a noi è dunque quello di un panorama computazionale in cui computer classici vengonoaffiancati - e non sostituiti - da computer quantistici. La realizzazione di questi ultimi, e le particolari condizioni in cui operano, sembra indicare che non possano divenire pervasivi nella società come i computer classici e che verranno, quindi, utilizzati in due direzioni

• per affiancare i computer classici e accelerare il loro carico di lavoro su compiti particolarmente intensi dal punto di vista computazionale;

• oppure per affrontare problemi la cui complessità computazionale è tale da non poter essere affrontata dai computer classici.

Referenze iconografiche: © Bartlomiej K. Wroblewski / Alamy Stock Photo; ©Public domain, via Wikimedia Commons; © Calin-H/Shutterstock; © atdigit/Shutterstock ; © ibreakstock/Shutterstock ; © Audio und werbung/Shutterstock; ©metamorworks/Shutterstock