Una breve guida quantistica al computer

di Federico Torrielli

Bit e processore classico

Sin dalla sua prima intuizione matematica, avvenuta nel 1982, il computer quantistico è sempre rimasto un sogno per appassionati e scienziati che volevano spingersi al di là della singola macchina e del transistor ad interruttore per abbracciare un computer che di fatto avrebbe loro permesso una potenza di calcolo enorme se non illimitata.

Il problema principale di un computer tradizionale sta nella sua base, il processore o "cervello": ogni processore possiede migliaia di transistor, ovvero "interruttori" di energia che cambiano stato da spento (denominato 0), ad acceso (chiamato 1). Questo alternarsi di 0 ed 1 genera l'informazione codificata che si trasforma in numeri, lettere, programmi e molto altro.

Se volessimo utilizzare la terminologia specifica allora chiameremmo questa informazione "bit": essa è "binaria" poiché come già detto può essere 0 oppure 1 a seconda dello stato e soprattutto dell'input dato dall'uomo che comanda la macchina stessa.

Prima di avventurarci nella scoperta del suo successore vorrei far capire meglio il concetto del bit utilizzando una velocissima formula matematica che tutti possiedono fin dalle scuole medie: sto parlando dell'algoritmo euclideo. Per termine "algoritmo" si intende una sequenza di passaggi matematici che sono generici e sempre applicabili ad un problema immesso, un altro nome per "algoritmo" può essere funzione oppure programma.

Appreso questo termine è facile ora capire quanto meccanico sia l'algoritmo Euclideo: la sua particolarità è quella di poter conoscere velocemente e meccanicamente il resto di qualsiasi divisione ed il loro Massimo Comun Divisore. Per essere più chiari vi porto dunque un semplice esempio:

Dobbiamo individuare il Massimo Comun Divisore tra 7 e 5: in verità non sarebbe necessaria l'applicazione di questo algoritmo, sapendo già che, essendo numeri primi (esattamente co-primi tra di loro), il loro MCD sarà sicuramente 1.

Applico dunque l'algoritmo:

7 = 5 * 1 + 2

5 = 2 * 2 + 1

2 = 1 * 2 + 0

Come si può chiaramente vedere l'algoritmo è terminato evidenziando 1 come MCD tra i due numeri e 2 come resto di interi nella divisione.

Cosa c'entra questo con i BIT?

Ogni bit, essendo un'informazione codificata binariamente (ovvero in base due), è ricostruibile con l'algoritmo euclideo per qualsiasi numero intero conoscibile, facciamo dunque lo stesso esempio:

Vogliamo convertire il numero 7 in numero binario (bit), applicando l'algoritmo euclideo, il numero desiderato apparirà dal basso verso l'alto dopo la somma.

7 = 2 * 3 + 1

3 = 2 * 1 + 1

1 = 2 * 0 + 1

Abbiamo appena scoperto come 7 convertito in binario sia "111".

Con questo meccanismo un computer normale può processare milioni di informazioni al secondo solamente grazie allo stato di uno zero ed un uno: ad ogni lettera corrisponde una sequenza di numeri a cui corrispondono i seguenti bit.

Per fare una metafora semplice per tutti potremmo immaginare una piccola parte di un processore come una classe di bambini di prima elementare che riceve un numero e lo converte in tanti altri 0 ed 1, è semplice ed automatico.

Avendo ora compreso in che cosa consiste un "bit" bisogna fare un ulteriore sforzo mentale per capire come funziona un processore di un computer quantistico e perché è così differente da uno comune.

Il limite della tecnologia umana: il qubit

Man mano che la tecnologia tende ad avanzare, essa si rimpicciolisce sempre più: un normale transistor nei nostri tempi è arrivato ad essere circa 14 nanometri (500 volte in meno di un globulo rosso!). Il problema si verifica però quando si scende ancora di più nell'ultra-piccolo: si entra nel mondo quantistico.

Ad una certa grandezza un ipotetico transistor misurante qualche atomo potrebbe incontrare degli elettroni (particelle che nel nostro caso determinano il passaggio della corrente e dunque delle informazioni sotto forma di 0 ed 1) ed essere superato grazie ad un processo chiamato "tunnel quantico", non permettendo il passaggio dell'informazione.

Per risolvere questo problema gli scienziati hanno deciso di utilizzare come transistor singoli atomi grazie alle proprietà della fisica quantistica, che funziona assai diversamente rispetto a quella che tutti noi conosciamo empiricamente nel mondo che ci circonda.

Per far entrare ogni lettore nella giusta atmosfera, è necessario introdurre alcuni concetti cardine dell'informatica quantistica che successivamente saranno riutilizzati.

A differenza di un normale computer, che come si è già detto utilizza i "bit", un computer quantistico utilizza il qubit (ovvero, bit quantistico) che è totalmente differente dal suo fratellastro minore. Il qubit si serve delle leggi della fisica e della struttura quantistica dell'universo per funzionare correttamente: esso infatti non esiste in solo due stati.

Se un bit lo si immagina un po' come un interruttore, dobbiamo immaginare un qubit come una specie di orologio con molteplici lancette: ogni lancetta può puntare a 0, 1, o tutti gli "stati" che si trovano tra i due (per approfondire questo concetto sono richieste conoscenze specifiche come lo spazio di Hilbert e stati vettoriali). Per farla semplice, è un interruttore che può assumere contemporaneamente più di una posizione. Chi volesse sapere come graficamente è fatto un qubit può cercare su internet "Sfera di Bloch".

La difficoltà per la macchina però è quindi "trovare" questa posizione ed interpretare quale delle infinite possa essere: questo processo è stato denominato "entanglement quantistico".

Per semplificare la spiegazione, l'entanglement è quel processo che per ogni particella o informazione della prima macchina, ne riconosce una identica in un altro sistema: quando la prima informazione cambia, anche la seconda cambia e così via (per sistema si intende un sistema fisico). Non esiste perciò un qubit che sia privo di un suo corrispettivo dall'altra parte dell'universo (fantastico, no?).

Data questa informazione possiamo allora capire meglio che cosa sia veramente un computer quantistico: esso consiste in un processore che elabora informazioni infinitamente più veloce di un computer classico, "ragiona" con i qubit, sfrutta la fisica quantistica, le particelle subatomiche ma soprattutto è il futuro dell'A.I. e della crittografia.

Perché ancora nessuno possiede un computer quantistico in casa?

Un computer quantistico è ancora però un sogno per svariate ragioni: la prima, ovvero la più scontata, è che una macchina tale costa tantissimo e solo grandi associazioni governative si possono permettere di possederne uno.

La seconda motivazione, meno scontata, è che un computer quantistico è altamente instabile: un qubit infatti può "sopravvivere" per qualche milionesimo di secondo per poi scomparire lasciando solo energia atomica.

Nonostante questo non credo che ci sia affatto da scoraggiarsi: l'informatica contiene ancora meravigliose scoperte da intraprendere, soprattutto in questo ambito. Agli scienziati alletta la possibilità di avere più informazioni, per i programmatori è semplicemente un computer più veloce: mentre un bit può processare un'informazione alla volta, un qubit ne processa all'esponenziale del bit (per essere più precisi, 2^n, dove n = bit di un computer normale). Un computer quantistico che processa a 128 qubit corrisponde quindi ad un computer a 2^128 bit.

Dall'altra parte però un computer quantistico richiede:

Una quantità enorme di energia elettrica.
Che il sistema di raffreddamento riesca a portare il processore vicino allo 0 assoluto.

Come si potrebbe utilizzare un computer quantistico?

Ci sono migliaia di campi (non solo nell'informatica, ovviamente) che richiedono calcoli estremamente veloci in pochissimo tempo: mentre un server/database normale processa enormi informazioni a tempo "n", un computer quantistico potrebbe processarle a tempo √n.

Per questo, esso si potrebbe utilizzare in ambito medico, per risoluzioni di algoritmi matematici complessi, per simulazioni fisiche e chimiche, per risolvere problemi di crittografia e sicurezza IT e ancora molto altro: le possibilità sono infinite.

Nota dell’autore: non è sicuramente possibile comprendere veramente ad una prima lettura l'importanza di una scienza così vasta come la meccanica quantistica. Il mio intento non è nient'altro che divulgativo: il futuro che ci attende è sicuramente pieno di altre scoperte scientifiche così come di scienziati. Essi però non vengono su se non per passione, e sono altrettanto sicuro che senza la semplice divulgazione scientifica non ci sarebbero gli appassionati che si intravedono in giro: giovani i cui occhi come me si illuminano per argomenti astrusi e complicati e sempre pronti, come Ulisse, a rischiare per conoscere l'universo.

Apprezzerei, per continuare sul filone dell'argomento precedente, che vengano posti dei commenti, ma preferirei ancora di più che la comunità di Nel Futuro si attivasse per rispondere insieme alla seguente domanda: "qual è il futuro che ci attende?".

Ultimo aggiornamento:06/02/2018 21:01:43