Computer: dall’idea ai computer quantistici

Il primo a dare un’ idea per quello che sarebbe diventato il computer è stato il matematico inglese Alan Turing. Nel suo articolo pubblicato nel 1936, Turing non pensava a realizzare un gadget per noi inseparabile o ideare un nuovo mercato.

 Il suo intento era quello di affrontare il problema posto dal matematico tedesco David Hilbert nel 1928.

Hilbert si è interessato dei limiti ultimi dello scibile della matematica. Era interessato da cosa possono sapere gli esseri umani della matematica e se esiste qualche problema della matematica che non può essere compreso. 

Hilbert si pose il dubbio dell’esistenza di un algoritmo che possa determinare se una congettura matematica possa essere verificata o meno. 

Un algoritmo del genere potrebbe essere inapplicabile, ma in principio avrebbe potuto dimostrare a priori la verificabilità delle congetture matematiche.

Nel 1928 la definizione di algoritmo era piuttosto vaga. All’epoca gli algoritmi venivano trattati con carta e penna, come nella divisione tra polinomi. 

Turing dovette definire con precisione cosa doveva essere un algoritmo. Finendo per elaborare quella che poi è diventata la Macchina di Turing, un dispositivo di computazione universale, che il matematico affermava potesse risolvere ogni algoritmo. 

Nel 1985 il fisico inglese David Deutsch suggerì un approccio più profondo alla definizione dell’algoritmo:

“Esiste una macchina universale che può efficacemente simulare ogni sistema fisico?”.

Cos’è un computer quantistico?

Deutsch, che aveva anche studiato la meccanica quantistica, osservò anche la difficoltà dei computer classici nel simulare sistema in meccanica quantistica.

 Venne così introdotta l’idea del computer quantistico. Questi si differenziano, dai computer classici, per la loro capacità di trattare sistemi quantistici assieme alla risoluzione di sistemi classici.

Una trattazione corretta della computazione quantistica per descrivere il funzionamento di un computer quantistico richiede l’utilizzo di concetti matematici astratti noti come qubit, gate o spazi di Hilbert.

 Questi danno origine a nozioni controintuitive e spesso cozzano con la realtà quotidiana che osserviamo attorno a noi. 

Basti immaginare che un qubit può essere rappresentato come la sovrapposizione di due stati differenti.

 Per capire meglio la differenza vediamo un esempio applicato all’elettronica. I computer lavorano in bit 0 e 1 per svolgere qualsiasi funzione dall’accensione al movimento del cursore sullo schermo. Impiegando del tempo per ogni processo in base alla sua complessità.

Un computer quantistico riesce invece a trattare stati che sono una sovrapposizione di questi due bit. Quindi una sovrapposizione di 0 e 1. Questo per quanto possa non essere intuibile in un sistema classico, riduce drasticamente i tempi.

Per capire meglio la potenza di un computer quantistico immaginiamo ad esempio di voler partire dal Nord Africa e arrivare nella penisola iberica. 

Per qualche ragione non possiamo attraversare gli specchi d’acqua. Dovendo scegliere un percorso via terra dovremmo attraversare tutta l’Africa, la penisola araba per arrivare in Europa e quindi alla penisola iberica. 

Questo processo è quello che farebbe un computer classico.

 Se invece avessimo la possibilità di attraversare gli specchi d’acqua potremmo attraversare lo stretto di Gibilterra e arrivare così nella penisola iberica. 

Questo è il processo che compie un quantum computer.

Performance

Non è sempre vero che i computer quantistici sono più veloci o performanti dei computer classici. Sicuramente si può dimostrare che non sono più lenti e questo è già un risultato importante.

In alcune categorie di problemi però il loro potere computazionale è di gran lunga superiore.

Ad esempio compagnie farmaceutiche impiegano migliaia di chimici che sintetizzano molecole e ne determinano le caratteristiche.  Questo processo è molto dispendioso e lento, per questo utilizzando computer quantistici si potrebbero ottenere molte più informazioni in un tempo di gran lunga inferiore.

Universalità di un computer quantistico

Per quanto riguarda il problema di realizzare un computer quantistico che sia in grado di simulare ogni sistema fisico, non è ancora possibile dare una risposta.

Parte del problema è dato dal fatto che l’essere umano non ha ancora scoperto una teoria fondamentale che leghi tutte le teorie fisiche fino ad ora presenti.

 Principalmente ora sono presenti la legge della relatività di Einstein e il modello standard delle particelle. 

Non è però presente una teoria che combini le due. Senza di essa non sappiamo se un computer quantistico possa o meno simulare tutti i sistemi fisici, che noi stessi non sappiamo descrivere.

Considerando invece la capacità dei computer quantistici di simulare separatamente le due teorie, si vede che questi riescono a simulare con sufficiente accuratezza le proprietà dei singoli sistemi. 

Si crea così un loop insolito e interessante in cui le leggi della fisica determinano che tipo di computazione si può svolgere. Allo stesso tempo il tipo di computazione scelto deve essere sufficientemente potente per simulare le leggi fisiche.

Dove è proprio la seconda parte del loop che risulta incredibile. Infatti non c’è nessuna ragione a priori per cui le leggi fisiche dovrebbero garantire l’esistenza di macchinari che simulino a loro volta sistemi fisici.

Direzioni future

I computer sono cambiati molto da quando sono stati assemblati inizialmente i primi mainframes. Adesso portiamo in tasca dispositivi più potenti di quelli che hanno permesso l’allunaggio dell’ Apollo 11.

Questi stessi dispositivi ci permettono di mantenere un contatto con tutto lo scibile umano contemporaneo e passato. Nel recente passato ci si è interessati all’analisi della meccanica quantistica. 

Arriveremo inevitabilmente poi ad un punto in cui le attuali tecnologie computazionali non ci permetteranno di avanzare oltre. 

Passeranno ancora anni prima che sia possibile disporre di un computer quantistico personale, ma già i primi prototipi sono stati presentati. Come nel caso dell’Ibm che nel 2019 ha presentato l’ Ibm Q System One.