Christian Gralingen (Essen, Germany / Berlino - Illustrator) – Quantum Computing

E per il computer quantistico … siamo pronti?

di Vincenzo Rampolla

Oggi Los Alamos è una delle maggiori istituzioni scientifiche e tecnologiche al mondo. Svolge ricerche multidisciplinari in settori come la sicurezza nazionale, l'esplorazione dello spazio, la fusione nucleare, l'energia rinnovabile, la medicina, la nanotecnologia e il supercalcolo. Nel New Mexico, incuneato tra Arizona, Colorado e Texas, la città di Los Alamos, direttamente a nord dei laboratori, si è molto sviluppata in mezzo secolo. Nel settembre 1942 migliaia di chimici, fisici, ingegneri vi lavoravano, tutti al progetto Manhattan, sette i premi Nobel. Il loro primo direttore era Oppenheimer e giocava a scacchi con un certo Von Braun, entrambi della colonia di scienziati esiliati da Germania e Europa. Nell’estate 1945 uscirono dai laboratori Little boy e Fat man, le prime bombe atomiche. Furono spedite su Hiroshima e Nagasaki. E la guerra finì.

Oggi nei centri di ricerca lavorano 13.000 persone con 1.600 studenti in discipline scientifiche e risorse pari a $2.9 miliardi. A settembre 2019 è stata aperta la corsa all’assunzione di fisici, matematici e specialisti per creare il nuovo nucleo di studio e progettazione del computer quantistico (QC). Dopo i primi mesi di lavoro sono filtrate le novità: le linee teoriche dell’hardware sono tuttora in fase di analisi e sono state selezionate molte criticità che fino ad oggi erano state escluse dal progetto. Un primo passo.

Una recente nota di Google afferma che un QC ha eseguito un calcolo molto particolare, capace di piegare anche il più veloce supercomputer del mondo. Ha sollevato però molti interrogativi, più di quelli cui ha saputo rispondere. Il primo è stato:

Quando arriveranno i QC, certificati in tutti i sensi, saremo pronti per usarli?

Google ha raggiunto questa meta con vincoli che fanno riflettere: anche i migliori QC con tecnologia basata su gate (porte) oggi possono avere una potenza non superiore a 50 qubit.

Il qubit (bit quantico), è l'informazione di base nel calcolo quantistico, diciamo analoga a un bit del calcolo tradizionale, senza entrare ora nell’aspetto tecnico.

Come funzionano i QC basati su gate? Operano usando porte logiche ma, a differenza dei computer classici, sfruttano le proprietà intrinseche della meccanica quantistica come la sovrapposizione, l'interferenza e l'entanglement (caratteristiche da approfondire in altra circostanza). I primi modelli di QC appena sfornati sono assordanti, hanno porte embrionali e imperfette e sono soggetti a molte incompletezze, al punto che le informazioni del loro stato quantico vengono perse entro pochi µsec (microsecondi) attraverso un meccanismo detto decoerenza.

I ricercatori stanno facendo progressi, seppure lenti, verso qubit di qualità. Forse tra 10 anni si otterranno livelli di QC affidabili, disponibili su larga scala, altamente affidabili e in grado di risolvere una grande quantità di problemi concreti.

Quando arriverà quel giorno, che uso faremo dei QC ?

Ecco sfornata una nuova domanda, la più intrigante, con in prospettiva e alle spalle decenni di preparazione. All'inizio degli anni '80, il fisico americano Paul Benioff pubblicò un documento in cui dimostrava che era teoricamente possibile realizzare un modello quantico-meccanico di una macchina di Turing (il computer). Nello stesso periodo, il Nobel della fisica Richard Feynman ha dimostrato l’impossibilità di simulare i sistemi quantistici sui computer classici, qualunque fosse la scala utilizzata, per le inaccettabili difficoltà poste dal problema: aumento esponenziale della memoria e del tempo di elaborazione dovuti ai volumi imposti dallo stesso sistema quantistico. Per questo, utilizzando un QC, le risorse necessarie sarebbero ridimensionate in modo adeguato e semplificherebbero il processo.

Feynman è stato maestro e precursore dell'informatica quantistica quando ha suggerito che:

Il miglior modo per studiare i sistemi quantistici è simularli su computer quantistici.

La simulazione della fisica quantistica è l'app per il QC e di certo non servirà a trasmettere immagini o video sullo smartphone. Se possono essere costruiti QC di grandi dimensioni e sicuri, consentiranno di sondare l’ignoto mondo della meccanica quantistica fino a profondità sconosciute. Il QC segue regole diverse rispetto al mondo che osserviamo nel quotidiano fino ad elevarsi alla base di tutto. Su un QC di opportune dimensioni, si possono simulare teorie quantistiche dei campi energetici per studiare la struttura fondamentale dell'universo. Nella ricerca chimica e a livello di nanoscala (un miliardesimo di metro), dove dominano gli effetti quantistici, si possono studiare le proprietà dei materiali, progettarne nuovi e indagare su complessi meccanismi come la superconduttività non convenzionale (conducibilità della corrente elettrica ad alte temperature in pratica senza perdite) e per simulare e comprendere nuove reazioni chimiche e composti indispensabili per produrre, ad esempio, nuovi farmaci.

Approfondendo la matematica e la teoria dell'informazione, si sono sviluppati molti strumenti teorici per fare queste ricerche con algoritmi che superano ampiamente la tecnologia richiesta per costruire le macchine reali. Tutto inizia con un modello teorico del QC, che stabilisce come sfruttare la meccanica quantistica per eseguire calcoli predefiniti. I ricercatori quindi scrivono algoritmi quantistici per eseguire un'attività o risolvere quel particolare problema basandosi su un primo modello. Il modello e gli algoritmi danno luogo a una serie di porte quantistiche insieme a una misurazione dello stato quantico che dà le informazioni classiche desiderate.

Ad esempio, l'algoritmo di Grover (Laboratori Bell, New York) definisce modalità innovative per ricercare a velocità impensabili gli elementi contenuti nei super database. Un altro caso è l'algoritmo di Shor (North Eastern Univ. Boston) che fornisce metodi e tecniche crittografiche in grado di violare i sistemi di sicurezza informatica basati sull’RSA, metodo ampiamente usato per proteggere a livello mondiale i siti Web di posta elettronica e quelli finanziari.

A ritmo frenetico escono nuovi algoritmi molto efficienti per eseguire calcoli per lo studio di sistemi fisici come una simulazione quantistica su scala ridotta di un sistema di elettroni in un processore di QC a risonanza magnetica nucleare. Molto attive anche le simulazioni su QC di semplici teorie dei campi quantistici, sia su scale ridotte e con dimensione intermedia, già disponibili e in fase di costante sperimentazione nei laboratori.

La ricerca costante in molte discipline ha portato Los Alamos a una più ampia visione del sapere, aprendo nuove frontiere da esplorare e spingendo in profondità l’analisi delle combinazioni tra fisica quantistica e teoria dell'informazione, matematica e sistemi complessi in fisica e biologia (sistemi dinamici a multicomponenti, composti da diversi sottosistemi che comunemente interagiscono tra loro).

Che sorprese ci riservano i prossimi passi?

(consultazione: los alamos national laboratory - theoretical division, scientific american)