I computer quantistici, cosa sono e a che punto siamo

I computer sono dietro alle transazioni bancarie, al coordinamento degli aerei nel cielo, dietro alla gestione dei magazzini di Amazon, sono ovunque ci sia un calcolo. Esistono computer potentissimi chiamati super computer, come quello di un noto centro di ricerca americano in grado di fare un numero di calcoli spaventoso, ma nella realtà, siamo soddisfatti del calcolo che riesco a fare o vogliamo andare oltre, vogliamo oltrepassare il limite che abbiamo oggi?

Siamo soddisfatti della potenza dei computer o desideriamo andare oltre?

Per rispondere a questa domanda dobbiamo fare degli esempi di calcoli complessi. Il primo esempio riguarda la ricostruzione su computer in maniera esatta di alcune tipologie di molecole. Non serve sempre fare la rappresentazione esatta della molecola per studiarla nella sua completezza, e in molti casi tante proprietà di una molecola non riusciamo neanche a comprenderle. Anche se non abbiamo la rappresentazione esatta di una molecola, la scienza dei materiali nella farmacologia riesce nello studio del nostro corpo e della natura in maniera soddisfacente.

Il super computer non è così super

I computer sono dei piccoli interruttori che possono valere “0” o “1”. Mettiamo quest’ultimi uno dietro l’altro a formare le informazioni che ci scambiamo quotidianamente con i nostri computer o cellulari. Torniamo a l’esempio precedente, quello della molecola ed in particolare di una molecola d’acqua e passiamo alla sua rappresentazione. Per rappresentare una molecola di acqua ad opera di un computer c’è bisogno di 10.000 bit, che sono quelli utilizzati per scattare una foto con un cellulare.

Passiamo alla rappresentazione di una molecola più complessa come quella della caffeina, con una complessità di 10 alla 48,  ossia un numero con 148 zeri, difficile da immaginare quanto possa essere grande o computer in grado di gestire tutti questi dati. Se volessimo rappresentare esattamente una molecola di caffè e quindi studiarla in maniera molto più approfondita, servirebbe un calcolatore enorme.

Passiamo alle molecole del nostro corpo. Adesso abbiamo numeri spaventosi 10 alla 86. Per studiarla e rappresentare ad oggi dovremmo costruire un computer grande quanto tutto l’universo. Quindi, anche il super computer che abbiamo oggi non è in grado di fare questa operazione, o meglio impiegherebbe centinaia di migliaia di anni.

A cosa ci interessa fare calcoli che i super computer ad oggi non riescono a fare?

La capacità di calcolo è qualcosa che ci interessa nel profondo, perché nella capacità di calcolo c’è la protezione dei nostri dati, attraverso la cosiddetta crittografia. Anche il più grande super computer del mondo ci metterà troppo tempo a decriptare la nostra carta di credito che scadrà prima di quando qualcuno riuscirà a decriptarla. Quindi anche in questo caso ci sono dei calcoli che i computer attuali non sanno fare o impiegano troppi anni. Nell’ultimo esempio questo difetto gioca a nostro favore, infatti siamo molto contenti che non sappiano fare nel tempo richiesto per la decriptazione della nostra carta.

La meccanica quantistica

Richard feynman Nobel per la fisica, è il padre della meccanica quantistica, ma facciamo un passo indietro. I computer di oggi funzionano con la combinazione di interruttori rappresentati da 0 e 1, uno di seguito all’altro, mettiamo migliaia, milioni, miliardi e facciamo tutti i programmi che noi conosciamo. Il portatore di informazione base può contenere solo questa semplice informazione zero e uno.

Le particelle di meccanica quantistica possono essere messe in uno stato particolare che in grado di contenere quello che viene chiamato stato di sovrapposizione quantistica. Potenzialmente riesco a mettere tanta informazione che possono rappresentare la mia informazione.

“Attraverso la meccanica quantistica posso inserire all’interno di un numero, un quantitativo di informazioni immenso.”

Proprio quello che ci serve per risolvere i problemi di cui abbiamo parlato prima.

Il computer quantistico

Se andate su internet a cercare computer quantistico trovate immagini di una cosa abbastanza bizzarra, che non è il vero e proprio computer quantistico, perché il computer quantistico è il processore, mentre la cosa bizzarra è un raffreddatore, un grosso frigorifero che serve a portare la parte inferiore del cilindro che contiene il processore a bassa temperatura, quella dello spazio interstellare.

E’ una struttura estremamente delicata che non deve interagire con nessuna intrusione esterna, altrimenti perderebbe tutte quelle belle proprietà che abbiamo visto, ossia la capacità di immagazzinare un grande numero informazioni utili a fare dei calcoli.

Una notizia buona e una cattiva

La notizia cattiva è che noi già conosciamo il programma che serve per fare la scomposizione in numeri primi su un computer quantistico, e sappiamo anche che la fa in maniera rapidissima. E’ un algoritmo che ha scritto Peterson nel 1994, 20 anni prima che qualcuno iniziasse a costruire un computer quantistico.

La notizia buona è che sappiamo che quell’algoritmo, quel programma, per girare ha bisogno di un processore quantistico con qualche milione di qbit che oggi non esiste. Per costruire un computer quantistico con capacità di qualche milione di qbit, probabilmente ci vorranno altri 10 o 20 anni.

Stiamo vivendo una rivoluzione dell’informatica

Anche se non ve ne sarete sicuramente accorti, si stanno aprendo nuove professioni, ingegneri per costruire questi super computer quantistici, informatici per costruire nuovi linguaggi di programmazione, ma solo il tempo potrà consegnarci la rivoluzione che cambierà il nostro modo di vivere.

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