Il futuro quantistico della computazione{0}

“Con il computing quantistico potremo risolvere alcuni problemi di calcolo e simulazione in tempi vicini ai secondi, problemi che richiederebbero tempi infiniti con i classici computer.”
Professor David Awschalom dell’Università della California a Santa Barbara.

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I computer quantistici potranno simulare qualsiasi modello ed evoluzione fisica di ciascun fenomeno, anche l’interazione tra molteplici universi.  Potranno risolvere anche molti problemi matematici notoriamente ostici, come la fattorizzazione, classicamente intrattabile, e potranno implementare algoritmi di crittografia praticamente inviolabili.

“La computazione quantistica,” riassume David Deutsch , fisico di Oxford, ” è qualitativamente un nuovo modo di sfruttare la natura.”

Essa suona come fantascienza come lo erano i satelliti, le fasi lunari, e originariamente anche il microprocessore. Ma l’era della computazione non è nemmeno alla fine delle fasi iniziali.

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La computazione tradizionale, con la sua sempre più grande miniaturizzazione raggiungerà alla fine un limite: la legge di Moore, che dice che il numero di chip integrati nella stessa area di un circuito integrato raddoppia ogni 18 mesi, è sulla via di trovare un muro invalicabile verso il 2015, a causa dell’eccessivo riscaldamento e anche al fatto che oltre a certi gradi di miniaturizzazione non si può andare ( oggi siamo al nodo tecnologico dei 32nm e dobbiamo considerare che in 1nm ci sono solo 3 atomi di silicio in legame covalente ). Al massimo si è arrivati a dimostrare la fattibilità di un inverter CMOS statico a 3nm.

Per scavalcare questo muro dovremmo capire bene come funzionano  le leggi del regno della quantistica, un sorta di paese delle meraviglie di Alice dove ci sono particelle che possono essere in due posti contemporaneamente.

Dove i classici circuiti integrati al silicio lavorano con le leggi della fisica classica( sembra una semplificazione questa frase ma vi assicuro che studiandoli ho scoperto un mondo pieno di soluzioni assolutamente geniali e non certo intuitive ), un computer quantistico è capace di utilizzare le leggi della meccanica quantistica (specialmente l’interferenza quantistica) per realizzare un modo per l’elaborazione delle informazioni.

L’unità fondamentale dell’informazione nella computazione quantistica ( detto bit quantistico o qubit ), non è binario ma quaternario, fatto che differisce molto dalle classiche leggi della fisica.

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Un qubit non esiste solo nei due stati logici 0 e 1 di un normale bit di informazione, ma anche in ulteriori stati che corrispondono ad una sorta di miscela o sovrapposizione degli stati classici. In altre parole, un qubit può esistere come uno 0, un 1 o simultaneamente con uno 0 ed un 1, con un coefficiente numerico che rappresenta la probabilità di essere in ciascun stato, probabilità che è il fenomeno chiave di tutta la meccanica quantistica.  Questo può sembrare poco intuitivo visto che il mondo davanti ai nostri occhi e alle nostre scale di grandezza è governato dalle classiche ferree leggi di Newton, ma la meccanica quantistica interviene al livello atomico dove tutte le leggi classiche ( compresa la relatività di Einstein ) non hanno nessuna valenza .

Il motivo per cui questo è eccitante è che la computazione può essere fatta con un massiccio parallelismo grazie al fenomeno della sovraposizione, il che equivale all’eseguire la stessa operazione su un computer classico dotato però di circa 10150  processori separati, cosa per adesso abbastanza difficile ( non dico impossibile visto che INTEL sta già sperimentando nei suoi laboratori sistemi a 512 o 1024 core ).

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L’idea di un dispositivo computazionale basato sulla meccanica quantistica venne inizialmente esplorata negli anni ’70 e nei primi anni ’80 da fisici e scienziati come Charles H. Bennett del centro di ricerca  Thomas J. Watson Research Center dell’IBM,  Paul A. Benioff dell’ Argonne National Laboratory in Illinois, David Deutsch di Oxford, e più tardi da Richard P. Feynman, Nobel laureto alla California Institute of Technology dove stavano ponderando i limiti fondamentali della computazione classica.

Come già detto, continuando a rimpicciolire ed integrare sempre di più si arriverà alla grandezza di un singolo transistor MOS fatto di pochi atomi.  Qui sorgono i primi problemi perchè le leggi che governano il livello atomico non sono quelle classiche ma la meccanica quantistica prende il sopravvento.

Questo ha poi sollevato la questione su come un nuovo computer potrà essere costruito e funzionare sulle basi della meccanica quantistica.

Feynman è stato praticamente il primo a porsi questo problema e a produrre nel 1982 un modello astratto di una macchina quantistica  che mostrò come un sistema quantistico possa essere usato per eseguire delle computazioni. Egli spiegò anche come una macchina del genere possa agire da simulatore per la fisica quantistica. In altre parole un fisico potrà fare esperimenti sulla fisica quantistica su una macchina costruita e funzionante grazie alla meccanica quantistica.

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Nel 1985, Deutsch realizzò che l’idea di Feynman poteva portare ad un computer quantistico general purpose utilizzabile per qualsiasi programma e ha pubblicato un documento di fondamentale importanza teorica mostrando che ogni processo fisico, in linea di principio, potrebbe essere perfettamente modellato da un computer quantistico.    Dopo la pubblicazione del documento di Deutsch la ricerca ha cominciato a trovare molteplici applicazioni realizzabili con una macchina del genere.

La svolta avvenne nel 1994 quando Shor fece circolare una prestampa di un articolo dove egli spiegava come usare la computazione quantistica per risolvere uno dei problemi più importanti nella teoria dei numeri, la fattorizzazione. Ha mostrato come un insieme di operazioni matematiche, progettate specificamente per un computer quantistico, possano essere organizzate per abilitare una tale macchina a fattorizzare numeri estremamente grandi in tempi molto ridotti, molto più velocemente  dei computer convenzionali.

Con la svolta di Shor, la computazione quantistica si trasformò da una mera curiosità accademica ad un interesse mondiale.

L’hardware quantistico, d’altro canto, rimane un settore emergente, ma il lavoro svolto finora suggerisce che sarà solo una questione di tempo prima di avere dispositivi di dimensioni sufficienti a testare gli algoritmi di Shor e di molti altri.

Al di là della effettiva creazione di un computer quantistico, il nostro maggiore limite è l’immaginazione dei programmatori. Questa sarà la grande sfida dei programmatori di Google e simili per il domani: prendere l’infinito potere di computazione e networking e creare interfacce che siano abbastanza facili da capire per un semplice utente.

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Le recenti scoperte capitanate da Stuart Wolff della Università di Virginia ci permettono portare l’elettricità fuori dalle solite equazioni, e di sbarazzarsi del problema di surriscaldamento che sta rallentando gli IC ( Integrated Circuits ) rispetto all’andamento della legge di Moore. Sono stati realizzati singoli elettroni che aggiustano il loro spin. I circuiti sub-atomici sono alla nostra portata.

da DailyGalaxy.com e news.bbc.co.uk