computer quantìstico

ipotesi futuristica di computer che funziona integralmente sulla base dei fenomeni di fisica quantistica. La possibilità da parte dei fisici di osservare e controllare con sempre maggiore precisione il comportamento degli elettroni nelle loro dimensioni quantistiche (cioè nel mondo submicroscopico dove al posto della fisica classica vige la fisica quantistica) ha portato alla formulazione di una serie di teorie relative alla possibilità di realizzare computer quantistici, sfruttando alcune peculiarità del comportamento quantistico di una particella, ben diverso da quello proprio di una particella che si muove in un sistema di dimensioni macroscopiche quali gli odierni computer. L'applicazione della fisica quantistica all'elettronica non è nuova: nel 1957 il giapponese L. Esaki inventò il primo dispositivo elettronico quantistico, il diodo a effetto tunnel, noto anche come diodo di Esaki. Questo risultato ha condotto poi alla realizzazione di altri dispositivi elettronici che sfruttavano proprietà quantistiche degli atomi, come il primo laser a semiconduttori, il transistor ad alta mobilità di elettroni (Hemt), diventato di uso comune. Ma pur utilizzando fenomeni puramente quantistici al loro interno, tali dispositivi hanno un output che appartiene al mondo della fisica classica, in quanto sono interconnessi con altri dispositivi elettronici secondo le regole tradizionali dei sistemi macroscopici. Pur avendo prestazioni decisamente migliori dei tradizionali dispositivi a semiconduttore, l'insieme della struttura (apparecchiatura elettronica, computer ecc.) di cui fanno parte è governato dalle leggi della fisica classica. Alla fine degli anni Ottanta alcuni ricercatori hanno, invece, cominciato a ipotizzare un tipo di computer che funzionasse integralmente sulla base dei fenomeni della fisica quantistica, quindi secondo processi e algoritmi profondamente diversi da quelli tradizionali. In particolare, D. Deutsch (Oxford) ha ipotizzato il concetto di “parallelismo quantico”, utilizzando il concetto della “sovrapposizione” tipico della fisica quantistica. Sulla base di questo concetto, teorizzato negli anni Trenta del Novecento da E. Schrödinger, un elettrone in un atomo non ha una sola posizione definita, ma può trovarsi in una varietà di possibili collocazioni, ognuna descritta da un diverso stato quantico. Si trova cioè in una sovrapposizione di stati. Tuttavia, quando si cerca di “vedere”, o meglio di “misurare” questa particella, la sovrapposizione viene distrutta ed essa viene forzata a trovarsi in una sola posizione. Un computer quantistico può essere immaginato come formato da un registro di “celle” ognuna delle quali può essere costituita da 1 atomo in grado di assumere, per esempio, 10 diversi stati energetici e quindi 10 “superposizioni”. Tali 10 superposizioni possono essere fatte corrispondere a una stringa di 10 cifre binarie, laddove in 1 cella di un computer tradizionale (un transistor) è possibile ottenere soltanto 2 cifre binarie, la posizione 0 o la posizione 1. Per rimanere nell'esempio, si avrebbe quindi un guadagno di un fattore cinque. Quando però il numero delle celle viene aumentato e passa a 2, se in un computer tradizionale si possono ottenere 4 cifre binarie, in un computer quantistico ogni stato di sovrapposizione della prima cella si combina con ogni stato possibile della seconda, ottenendo quindi 100 cifre. Proseguendo di questo passo, si nota che la crescita della quantità di numeri “contenibili” varia esponenzialmente con il numero delle celle, assumendo ben presto dimensioni inimmaginabili. Il concetto di computer basato sulla sovrapposizione di stati quantici ha avuto un importante sviluppo nel 1994, quando il ricercatore statunitense P. Shor (AT&T) ha annunciato di aver ottenuto il primo algoritmo col quale eseguire calcoli in un computer quantistico. Grazie a questo algoritmo, che sfrutta la crescita esponenziale della capacità di un computer quantistico, è stato calcolato che si potrebbe fattorizzare un numero di 200 cifre decimali in poco più di un millisecondo, laddove il più potente supercomputer attuale impiegherebbe un tempo superiore a quello dell'età dell'Universo (15 miliardi di anni). Tali prestazioni, ovviamente soltanto teoriche, si scontrano però con un problema legato al fatto che per utilizzare un computer quantistico bisogna prima o poi passare dal mondo quantistico al mondo della fisica classica: per esempio, per leggere il risultato di un calcolo. Come aveva predetto Schrödinger, quando si cerca di misurare lo stato di un atomo in sovrapposizione di stati, la sovrapposizione sparisce e l'atomo viene forzato a occupare un solo stato. Per cui, cercando di leggere, cioè misurare l'output di un computer quantistico, tutto il beneficio del parallelismo quantico svanirebbe. Per risolvere il problema, lo stesso Shor ha proposto di sfruttare un fenomeno di interferenza, col quale le diverse sovrapposizioni di stati interferiscono l'una con l'altra (ancora a livello quantistico), producendo come risultato una serie di altri fenomeni che possono non appartenere più alla sfera quantistica e che quindi possono essere “letti” anche da un sistema che opera nel mondo macroscopico della fisica classica. Sulla base di queste teorie, alcuni ricercatori hanno incominciato a realizzare sperimentalmente dispositivi logici per il calcolo quantistico, basati, per esempio, su atomi di berillio (National Institute of Standards and Technology, USA), superraffreddati a 1 K per poter lavorare con i livelli più bassi di energia. La ricerca sul computer quantistico riceve notevoli finanziamenti sia in USA (da parte della Defense Advanced Research Project Agency – DARPA – che ha creato un Institute for Quantum Information and Computing), sia in Europa (Programma TMR), sia in Giappone. Le applicazioni di tale tipo di computer, se mai lo si riuscisse a realizzare, sono amplissime e trovano spazio in tutti i settori in cui vengono utilizzati i supercomputer tradizionali, con la possibilità di aumentare in maniera elevatissima le capacità di calcolo: simulazione di sistemi complessi, meteorologia, fisica dei materiali, fisica delle particelle, calcolo di codici crittografici.