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L'informatica quantistica è un'area di studi basata sull'idea che l'elaborazione e la memorizzazione di informazioni e lo scambio informativo dipendano dalle proprietà della fisica quantistica. Questa branca di studi affronta problemi di ordine teorico relativi a modelli computazionali, così come argomenti più sperimentali della fisica quantistica, come ad esempio cosa possa essere fatto e cosa non possa essere fatto con l'informazione quantica.
L'informatica quantistica si può dividere in varie sotto-branche: il calcolo quantistico, la crittografia quantistica, la rete quantistica (con tutti i problemi di sicurezza ad essa legati), l'entanglement quantistico (o correlazione quantistica) affrontato dal punto di vista informativo e il teletrasporto quantistico (principio per il quale è possibile trasferire uno stato quantico in un punto arbitrariamente lontano).
Che cos'è l'informatica quantistica
L'informatica quantistica può quindi essere definita come l'insieme di tecniche di calcolo e del loro studio che utilizzano i quanti per memorizzare ed elaborare informazioni. Molti i punti che la differenziano dall'informatica classica, soprattutto nei suo principi fondanti.
L'informatica quantistica, innanzitutto, si fonda sul principio del no-cloning: l'informazione non può essere copiata con fedeltà assoluta né, quindi, letta con fedeltà assoluta. Può essere, però, trasferita con fedeltà assoluta, a patto che l'originale venga distrutto nel corso del processo: è il caso del teletrasporto quantistico, ottenuto per la prima volta da Nielsen, Klinn e LaFlamme nel 1988. Ogni misura compiuta sullo stato quantistico distrugge gran parte dell'informazione in esso contenuta, lasciandolo in uno "stato base". L'informazione, infine, può essere codificata e verrà codificata con correlazioni non locali tra diverse parti del sistema fisico basate sull'entanglement quantistico.
Pur potendo apparire meno definita e meno "precisa" rispetto all'informatica così come oggi noi la conosciamo, è dimostrabile che le Macchine di Turing quantistiche non solo possono raggiungere lo stesso grado di precisione delle Macchine di Turing classiche, ma possono compiere calcoli e operazioni impossibili per quest'ultima.
Che cos'è il qubit
Se la base dell'informatica classica è il bit inteso come unità minima di informazione, alla base dell'informatica quantistica troviamo il qubit o bit quantistico. Rispetto al "bit classico", il bit quantistico offre una maggiore versatilità e potenzialità di calcolo. Mentre il primo può assumere solamente un valore ben definito ("0" o "1", "aperto" o "chiuso", "acceso" o "spento"), il qubit può assumere anche valori sovrapposti. In base al Principio di indeterminazione di Heisenberg, un elemento quantistico – quale il qubit – non avrà mai uno "stato valoriale" ben definito, ma avrà valori sovrapposti e indeterminabili. Nel celebre paradosso proposto da Schrödinger per spiegare la sua teoria, il gatto può essere contemporaneamente vivo o morto; nel caso degli elettroni questo principio impone che è impossibile determinare con certezza, nell'istante di tempo t, l'energia associata ad essi e contemporaneamente la loro posizione. Pertanto, in base ai parametri del sistema, saranno possibili molte combinazioni di energie e posizioni, ma non tutte. Per lo stesso principio nell'informatica quantistica il qubit potrà assumere contemporaneamente il valore di "0" e di "1".
Ciò ha una ricaduta molto importante dal punto di vista del calcolo informatico: potendo assumere contemporaneamente più valori, il qubit permette di processare una quantità maggiore di informazioni, garantendo quindi un maggior scambio informativo rispetto all'informatica classica, limitata dalla sua scala binaria ("0" oppure "1").
Che cos'è il computer quantistico
Un computer quantistico (conosciuto anche come supercomputer quantistico) è un dispositivo di calcolo che fa uso diretto dei fenomeni quanto-meccanici – come l'entanglement e la sovrapposizione – per compiere operazioni su dati di varia natura. La differenza fondamentale con i computer "classici" - o quanto meno quella più "visibile" - sta nell'unità di informazione utilizzata per lo svolgimento delle operazioni: il bit nell'informatica classica – e nei calcolatori classici -, il qubit nell'informatica quantistica – e nei calcolatori quantistici. Il campo del calcolo quantistico venne "inaugurato" da Yuri Manin nel 1980 e Richard Feyman nel 1982.
Nonostante ciò, l'informatica quantistica e il computer quantistico sono ancora nel pieno della loro infanzia. Ad oggi sono stati compiuti solo esperimenti di piccolo "cabotaggio", nel corso dei quali sono state messe in atto operazioni quantistiche su piccole quantità di qubit. Ciò non vuol dire che la ricerca – sia teorica sia pratica – si sia fermata. Enti governativi e non, civili e militari, stanno conducendo studi sull'informatica quantistica e su computer quantistici, nel tentativo di perfezionarne funzionamento e costruzione. L'obiettivo è realizzare dispositivi quantistici non solo per scopi civili e commerciali ma anche per scopi di sicurezza nazionale (vedi, ad esempio, gli studi portati avanti nel settore della criptoanalisi e della crittografia quantistica).
L'utilizzo di computer quantistici su larga scala permetterebbe di risolvere alcune tipologie di problemi molto più velocemente di quanto fatto con i metodi dell'informatica classica. L'utilizzo di particolari algoritmi – come l'algoritmo di Shor per la fattorizzazione degli interi o la simulazione quantistica o ancora l'algoritmo di Simon – permettono di venire a capo di problemi di natura probabilistica in maniera più veloce di quanto possibile utilizzando algoritmi classici.
Chip quantistici al silicio
A ottobre 2015 i ricercatori dell'Università del Nuovo Galles del Sud, in Australia, hanno dato l'annuncio che i computer quantistici del futuro potranno essere costruiti ancora con il silicio: il materiale è stato infatti utilizzato per realizzare la prima porta logica basata su qubit. ''Quello che abbiamo ottenuto è un elemento rivoluzionario'', spiega il coordinatore del gruppo, Andrew Dzurak. ''Abbiamo dimostrato che è possibile realizzare una porta logica a due qubit, il 'mattone' principale dei computer quantistici, e per di più lo abbiamo fatto in silicio. Questo rende la loro realizzazione ancora più fattibile, perchè basata sulle stesse tecnologie di produzione usate oggi''. Per realizzare la porta logica, i ricercatori australiani hanno riconfigurato i transistor usati per definire i bit negli attuali chip di silicio, trasformandoli in qubit. ''Il chip di silicio presente nei nostri tablet e smartphone ha già un miliardo di transistor, e ciascuno di essi è grande meno di 100 miliardesimi di metro'', precisa il ricercatore Menno Veldhorst. ''Noi abbiamo modificato questi transistor di silicio in bit quantistici facendo in modo che ciascuno fosse associato ad un solo elettrone. Infine abbiamo immagazzinato il codice binario di 0 e 1 nella rotazione degli elettroni (spin), che è una proprietà associata al piccolo campo magnetico dell'elettrone''. I ricercatori puntano ora alla realizzazione di un chip quantistico, che potrebbe dare ai computer delle 'super' capacità di calcolo utili nel campo della finanza, della sicurezza, della medicina e della ricerca.
Corsa al qubit
Al di là delle nuove scoperte e delle possibili evoluzioni nella realizzazione di chip quantistici, negli ultimi anni si è assistito a una sorta di corsa al qubit che ha visto il suo apice nella seconda metà del 2017. Tra i principali protagonisti troviamo tutti i big del mondo dell'informatica e dell'hi-tech in genere. Segno che l'informatica quantistica rappresenta il futuro dell'intero settore. Da Intel a IBM, passando per Google e Microsoft, un po' tutti stanno investendo pesantemente sul quantum computing nella speranza di farsi trovare in testa al momento opportuno.
- Il processore da 17 qubit di Intel. Come prezzo, magari, non potrà essere neanche lontanamente paragonabile ai vari Core i5, Core i7 e Core i9, ma le prestazioni del processore a 17 qubit di Intel fanno ben sperare per il futuro del settore. Presentato a ottobre 2017, si tratta solo del primo esemplare di una lunga serie(o, almeno, questa è la promessa del produttore statunitense). Realizzato con tecniche e tecnologie innovative, il processore quantistico di Intel dovrebbe essere meno sensibile alle interferenze radio esterne, mentre i connettori in oro dovrebbero garantire un miglioramento sensibile delle prestazioni (secondo i tecnici Intel, il flusso di dati tra qubit potrebbe decuplicare, se non addirittura centuplicarsi rispetto al passato). Cosa ancora più interessante, Intel dichiara di essere in grado di produrre con regolarità i nuovi processori quantistici, facendo presagire un futuro roseo per questo particolare settore
- Quantum compunting protagonista del Microsoft Ignite. L'informatica quantistica è stata tra i protagonisti del Microsoft Ignite 2017, conferenza annuale nel corso della quale la casa di Redmond prova a delineare le tendenze future del mondo dell'informatica e non solo. Nel corso di una tavola rotonda presieduta da Satya Nadella, diversi esperti che collaborano con Microsoft hanno illustrato i risultati raggiunti sinora e a che punto si trova lo sviluppo di un processore quantico di nuova generazione, basato sull'effetto fisico della frattalizzazione degli elettroni (cioè, la disposizione e organizzazione in frattali degli elettroni), che avviene a una temperatura prossima allo 0 assoluto (circa 273° centigradi sotto lo 0)
- IBM e la Q Division. Da qualche anno a questa parte, Big Blue è impegnata attivamente nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie legate all'informatica quantistica. Secondo i tecnici IBM della Q Division (così è chiamato il laboratorio di ricerca e sviluppo in quantum computing) la creazione di computer quantistici dovrebbe richiedere meno tempo di quanto si immagina: già nel giro di qualche anno dovrebbero essere disponibili i primi processori da circa 50 qubit, in grado di cambiare radicalmente i modelli di analisi dei Big data e non solo
- Questione di qudit. Non solo Stati Uniti o Europa. Anche ricercatori russi si stanno dando da fare per non farsi trovare impreparati nella corsa all'informatica quantistica. Gli scienziati del Moscow Institute of Physics and Technology e del Russian Quantum Centre, però, stanno provando a percorrere una strada differente rispetto a quella degli altri istituti di ricerca. Hanno così creato qubit in grado di "erogare" più o meno potenza di calcolo a seconda del livello energetico in cui si trovano. Ciò moltiplica esponenzialmente le capacità di calcolo di un singolo processore quantico: gli elettroni presenti nei diversi livelli energetici di un qubit possono interagire tra di loro, facendo lievitare il monte delle risorse di calcolo disponibili. Si tratta, dunque, di una nuova tipologia di unità minima di calcolo, ribattezzata dai russi qudit, dove la d sta a indicare i possibili livelli di energia nei quali esiste l'elettrone
18 ottobre 2017
