Approfondimento del 23 marzo 1998

Quantum computer

a cura della redazione di www.galileonet.it

Da quando esistono i computer, la tendenza dell'industria è stata quella di produrre macchine sempre più piccole e potenti. Ma dove porterà questa strada? Come saranno i calcolatori dei nostri nipoti, tra 50 o 70 anni?

Ovviamente, nessuno è capace di prevedere il futuro con tanto anticipo. Però, diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno esplorando un campo che sembra davvero promettente: quello dei computer quantistici.

Vediamo che cosa sono questi computer quantistici. Oggi il funzionamento dei calcolatori è basato sull'elettronica: i dati viaggiano attraverso i circuiti stampati e vengono elaborati sotto forma di segnali elettrici. Alla base di tutto c'è l'elettrone, che è la particella elementare della carica elettrica. E' l'elettrone che, diciamo così, trasporta le informazioni attraverso i circuiti e i suoi comportamenti sono governati dalle leggi fisiche dell'elettromagnetismo.

Se le industrie continueranno a fabbricare microchip sempre più piccoli, prima o poi le dimensioni dei circuiti e dei transistor raggiungeranno la scala di grandezza delle molecole e degli atomi. E al livello degli atomi, le leggi della fisica classica non valgono più, cedono il posto alle leggi della meccanica quantistica. E i quantum computer, appunto, sono calcolatori che funzionano in base alle leggi della meccanica quantistica.

Un bit, l'unità di misura dell'informazione, si può rappresentare con un sistema fisico preparato in uno stato 0 oppure in uno stato 1. Per esempio, nei computer classici, la differenza di potenziale tra le due superfici di un condensatore è un bit: un condensatore carico è 1, mentre uno scarico è 0. Passando a dimensioni molto più piccole, anche un atomo di idrogeno può rappresentare un bit.

Un atomo di idrogeno è formato da un protone, nel nucleo, e da un solo elettrone nella parte esterna. Lo vedete qui alle mie spalle, un po' semplificato. In questo momento l'elettrone si trova nella posizione di riposo. Se forniamo la giusta energia al nostro atomo, per esempio bombardandolo con un impulso laser, l'elettrone salta in una posizione diversa rispetto al nucleo. E ora abbiamo un atomo per così dire carico, o come dicono i fisici eccitato.

In questo modo gli atomi di idrogeno carichi e scarichi potrebbero immagazzinare dei bit di informazione: 1 se l'atomo è carico e 0 se è scarico. E siccome gli atomi sono piccolissimi, con una serie ordinata di atomi di idrogeno e un laser potremmo memorizzare e manipolare informazioni in uno spazio altrettanto piccolo. Per ora, la tecnologia è ancora lontana dal potre sfruttare in pratica questo principio.

Ma non è finita qui. Le leggi della meccanica quantistica dicono che un atomo di idrogeno non si trova per forza solo nello stato 0 o nello stato 1. Può trovarsi simultaneamente nello stato 0 e nello stato 1. E' un concetto un po' strano per noi che siamo abituati alle leggi e al mondo della fisica classica. Eppure è così: una particella microscopica può trovarsi contemporaneamente in due posizioni. Allora, un bit quantistico, a differenza di un bit classico, può essere allo stesso tempo 0 e 1.

Se invece usiamo tre atomi di idrogeno, possiamo memorizzare allo stesso tempo tutti e otto i numeri, perché ogni atomo può essere contemporaneamente 0 e 1. E se tre atomi registrano 8 numeri, quattro atomi ne registrano 16 e così via, con una crescita esponenziale. Quindi non si tratta semplicemente di costruire computer più piccoli: le leggi della meccanica quantistica permettono di sovrapporre le informazioni e di fare calcoli simultaneamente con più serie di dati.

Grazie a questa capacità i computer quantistici possono risolvere problemi che per un computer classico sono praticamente irrisolvibili. Infatti, per portare a termine un'operazione, il calcolatore esegue un programma, cioè una successione di istruzioni. Alcuni programmi sono veloci, indipendentemente dai dati che usiamo. Per esempio, un computer esegue rapidamente una moltiplicazione anche se i fattori sono numeri con molte cifre.

Invece, altre operazioni sono veloci se le facciamo su piccoli numeri e incredibilmente lente se le facciamo su numeri grandi. Per esempio: dato un numero, trovare quali sono i suoi fattori. Con 10 la soluzione del problema è immediata: 2 per 5. Ma, se un computer classico dovesse calcolare i fattori di un numero con mille cifre, ci metterebbe più tempo di quello che è trascorso dal Big Bang a oggi.

Il calcolo non è difficile in teoria si può fare. Ma è talmente lungo che in pratica non è possibile. Con i computer quantistici, invece, diventerebbe veloce come una moltiplicazione. Certo, ci vorrà molto tempo prima di poter realizzare un calcolatore quantistico. La ricerca è ancora agli inizi. Se ne occupano esperti negli Stati Uniti, in Canada, in Gran Bretagna e anche da noi in Italia. Per ora gli studi sono per lo più teorici.