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martedì 22 agosto 2017

CI VUOLE UN FISICO — il Blog di Michele Campisi

Michele Campisi

MICHELE CAMPISI - Laureato in fisica teorica a Pisa, ha ottenuto il titolo di Dottore di Ricerca negli Stati Uniti, ed ha lavorato per anni come ricercatore in Germania. Attualmente è Marie Curie Fellow presso la Scuola Normale Superiore di Pisa dove svolge attività di ricerca nel campo della fisica quantistica, grazie al Progetto ``NeQuFluX'' finanziato dalla Comunità Europea.

​Calcolo quantistico, ci prova anche Google

di Michele Campisi - lunedì 20 giugno 2016 ore 10:27

Negli ultimi due decenni fior di fisici teorici, informatici e matematici si sono adoperati per dimostrare la possibilità, (almeno in linea teorica, appunto), di fare calcolatori che fossero basati e sfruttassero appieno le proprietà quantistiche della materia, quali ad esempio la sovrapponibilità degli stati. L'elemento logico che sta alla base dell'architettura di tali calcolatori quantistici è il qubit, il "quantum bit": Un oggetto microscopico che può stare negli stati 0 o 1 (come il bit classico che è alla base degli odierni processori) ma puo' anche stare in una qualsivoglia loro sovrapposizione, in cui il qubit sta contemporaneamente nei due stati. 

Questa contemporaneità può suonare strana (ed infatti lo è di molto) ma questo è proprio ciò che succede, laggiù nel mondo dei quanti. Nella pratica il qubit può essere ad esempio un fotone, che infatti può stare simultaneamente in due stati di diversa polarizzazione (vedi il post Photon Quantum Cat), ma l'informazione quantistica può essere codificata nello stato di un qualsiasi altro sistema quantistico, ad esempio in un circuito superconduttivo microscopico. Proprio a causa della possibilità di sovrapporre gli stati, l'informazione codificata nel qubit è immensamente maggiore di quella codificata nel bit classico, e questo, come gli scienziati di cui sopra hanno dimostrato, significa che un calcolatore basato sui qubit, cioè un calcolatore quantistico, avrebbe una potenza di calcolo enormemente superiore a quella che si potrebbe mai ottenere con un calcolatore basato sulla odierna tecnologia a bit classici.

Bellissimo. Peccato che creare, ma soprattutto mantenere e manipolare la sovrapposizione degli stati di un qubit è impresa tutt'altro che facile. Non a caso la sovrapposizione quantistica non è cosa che si vede tutti i giorni nella vita quotidiana. Per fare un computer quantistico bisogna per prima cosa isolare benissimo i qubit e proteggerli dall'ambiente in cui si trovano. Questo ultimo tende a distruggere la sovrapposizione degli stati, e far "collassare" il qubit in uno dei due stati, 0 o 1, e anche a farlo saltellare in modo del tutto erratico tra i due. In tali condizioni il qubit sarebbe completamente inutile a compire un qualsiasi compito, compresi i compiti dei bit classici il cui stato, o 0 o 1 è estremamente stabile (pensiamo a quanto tempo un dato puo' rimanere inalterato nella memoria del nostro computer). 

Inoltre per fare un calcolatore quantistico un solo qubit non basta, ce ne vogliono molti, e bisogna sapere come sovrapporne gli stati. Per esempio se si prendono due qubit, ci sono quattro stati di base, 00, 01, 10, e 11 (la prima cifra si riferisce allo stato del primo qubit, la seconda allo stato del secondo), e bisogna saperli sovrapporre a piacimento. Bisogna poi saper manipolare le sovrapposizioni in maniera ultra precisa in modo da realizzare le operazioni logico-matematiche basilari con le quali poter costruire le istruzioni che il computer quantistico sarà chiamato ad eseguire.

Bella impresa. Soprattutto se si pensa che i qubit sono estremamente delicati. Ad oggi i qubit superconduttivi più stabili mai realizzati possono mantenere l'informazione quantistica al massimo per un decimo di millisecondo, e per raggiungere questo record devono essere raffreddati ben al di sotto di un grado Kelvin (cioè a circa -273 gradi centigradi). Nonostante la tecnologia stia progredendo velocemente, la realizzazione di un vero computer quantistico sembra un' impresa davvero titanica, tanto che tra gli addetti ai lavori in pochissimi sono a pensare che sarà mai realizzato. In realtà dovrei dire "erano", perchè nell'ultimo anno le cose sembrano incominciare a cambiare, sembra infatti che siano sempre di più coloro i quali ci credono davvero. E tra questi non ci sono solo accademici, ma anche aziende private, una tra tutte Google. E se un privato di quel calibro, non importa quanto illuminato, ci investe denaro, beh, c'è da credere che delle possibilità concrete esistano davvero.

Proprio la settimana scorsa è uscito su Nature un lavoro a firma di ricercatori delle Università di Santa Barbara (USA) e di Bilbao (Spagna), e di Google, che descrive un prototipo di calcolatore quantistico a 9 qubit. Come si legge nel Google Research Blog il processore quantistico è stato realizzato con qubit a forma di croce (chiamati "Xmons") realizzati in alluminio superconduttore mantenuto a bassissima temperatura. Il processore è stato programmato con il più complesso algoritmo realizzato fino ad adesso per il calcolo quantistico contenente migliaia di istruzioni logiche. Possono sembrare molte ma, se comparate ai milioni di istruzioni logiche che servono anche solo ad aprire una app sullo smartphone, sono veramente pochissime. Il programma scritto dai ricercatori conteneva le istruzioni per risolvere uno specifico problema di meccanica quantistica (ebbene si, hanno usato la meccanica quantistica per risolvere un problema di meccanica quantistica!). I ricercatori hanno dimostrato che il programma ha funzionato bene e la macchina ha dato il risultato giusto del problema, che era stato calcolato con un normale computer.

La strada, ancora lunghissima, è aperta, e forse un giorno, se non noi, almeno i nostri figli vedranno un computer quantistico risolvere problemi irresolubili con gli odierni computer classici.

Michele Campisi

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