Come funziona un computer quantistico

Anche se non ci piace ammetterlo, la scienza e la tecnologia sono piene di «hype», sviluppi con un potenziale straordinario e promesse spettacolari che non si materializzano mai. La fusione fredda e il grafene sono due buoni esempi, ma se osserviamo da vicino i giganti del mercato, scopriamo che non possono fare a meno di parlare dei computer quantistici. Cosa vogliono farci? Come funziona un computer quantistico? Oggi esploreremo le risposte a queste domande.

La nostra vita digitale è una danza infinita di uni e zeri. Questo articolo, il browser che usi, il tuo sistema operativo. Foto, video, musica, giochi, lavoro, esami. Amore? Denaro? Non sfuggono nemmeno loro ai bit. Al di là di alcune condizioni specifiche che possono «cambiare» spontaneamente un bit e seminare il caos, il fatto è che funzionano e ci hanno servito molto bene.

Lo sviluppo informatico degli ultimi decenni è stato (ed è ancora) focalizzato sull'elaborare più bit, e a maggiore velocità. Tuttavia, i nostri progressi si stanno avvicinando rapidamente a limiti fisici da cui non possiamo fuggire. Con componenti che si avvicinano alla dimensione di un atomo, la fisica quantistica è la nostra principale «nemica»... e se la trasformassimo in «alleata»? Benvenuto nel computer quantistico.

Come funziona un computer quantistico

(N.d.R.: Sottotitoli in spagnolo)

In termini generali, l'idea di un computer quantistico è quella di utilizzare proprietà quantistiche per eseguire operazioni. In un computer convenzionale, il bit è l'unità più piccola di informazione, con 0 e 1 come stati possibili. Ma in un computer quantistico abbiamo il qubit («bit quantistico»), che può essere 0, 1... o una proporzione di entrambi. Questo ci porta alla famosa sovrapposizione quantistica: finché non viene osservato-valutato-misurato, il qubit si trova in sovrapposizione, ma una volta che fai qualcosa con esso, deve collassare in uno dei suoi stati definitivi. Il gatto di Schrödinger, con bit.

Sì, ma è ancora più complicato…

A quanto detto prima dobbiamo aggiungere il concetto di entanglement quantistico. In pratica si tratta di una connessione o legame che fa reagire un qubit al cambiamento nello stato di un altro qubit. Questa reazione è istantanea e non è influenzata dalla distanza che separa i qubit. Perché è importante? Perché misurando un qubit entangled possiamo calcolare le proprietà del suo partner senza dover fare un'osservazione aggiuntiva.

Tuttavia... tutto ciò che abbiamo detto finora è la «versione semplice» del computer quantistico. Scott Aaronson, professore di informatica all'Università del Texas (Austin) e uno dei più importanti esperti di informatica quantistica, ci spiega che la meccanica quantistica lavora con ampiezze. E il qubit è un bit con un'ampiezza per 0 e un'altra per 1. Uno degli obiettivi fondamentali dei computer quantistici è che tutte le ampiezze che portano a risultati sbagliati si cancellino a vicenda, e che le ampiezze rimanenti servano a raggiungere la risposta corretta.

Per riuscirci, i progetti attuali di computer quantistici dipendono dalla superconduzione. La dimensione del chip non è molto più grande di un processore tradizionale e utilizza una serie di «bobine» in cui fluiscono due stati quantistici di corrente. Le bobine possono interagire tra loro con l'aiuto delle giunzioni Josephson, dando origine alla generazione di stati entangled. L'interazione tra qubit è completamente programmabile e, perché tutto funzioni, il sistema deve essere portato a una temperatura molto vicina allo zero assoluto.

Il problema

Quando il primo laser fu costruito nel 1960, il suo creatore Theodore Maiman lo definì come «una soluzione in cerca di un problema». E da un certo punto di vista, possiamo dire lo stesso del computer quantistico. Abbiamo un'idea abbastanza solida del suo potenziale, ma non deve solo fare un salto di qualità, ma anche in quantità.

I migliori computer quantistici hanno una media di 50 qubit. Il processore quantistico Sycamore di Google ha un totale di 53 qubit, e il sistema cinese Jiuzhang ha raggiunto i 76. Tuttavia, gli esperti riconoscono che è necessaria una crescita esponenziale, con computer composti da centinaia di migliaia di qubit per generare lavoro utile e risolvere problemi di ampio spettro.

La prima cosa che viene in mente è una sorta di «legge di Moore quantistica», ma non basterebbe: mentre la legge di Moore ha raddoppiato il numero di transistor ogni 18-24 mesi, i computer quantistici devono raddoppiare il numero di qubit ogni dodici mesi o meno. Cosa significa? Dieci anni, come minimo.

Computer quantistico: applicazioni e sfide

Ovviamente, ci sono motivi più che sufficienti per affrontare tutte le sfide che l'informatica quantistica ci lancia. Dalle simulazioni avanzate di molecole alle proiezioni economiche, passando per nuovi rami nell'istruzione, nella medicina e nella sicurezza, i computer quantistici creeranno molti mercati, e bisogna prepararsi.

L'aspetto della sicurezza merita un capitolo a parte: nelle condizioni giuste (pensa a milioni di qubit), un computer quantistico potrebbe polverizzare il crittosistema RSA, e se ciò accadesse... sarà meglio che abbiamo una buona alternativa in funzione.