Per la maggior parte della storia dell’uomo la tecnologia disponibile è consistita in: fuoco, armi rudimentali, il nostro cervello. Mentre fuoco e armi sono diventati centrali elettriche e armi nucleari, il miglioramento più evidente è avvenuto nei nostri cervelli. Dal 1960 il potere delle nostre macchine computazionali ha continuato a crescere esponenzialmente, permettendo ai nostri computer di diventare più piccoli e più potenti allo stesso tempo. Oggi questo processo di rimpicciolimento ha quasi raggiunto il suo limite fisico e i componenti nei computer si stanno avvicinando alla dimensione del singolo atomo.
Per capire meglio, dobbiamo prima chiarire le basi del funzionamento di un computer. Il computer è costituito da componenti molto semplici che svolgono compiti altrettanto basilari: rappresentano dati, li elaborano e ne controllano i meccanismi. I chip (microprocessori del computer) contengono moduli composti da porte logiche, la cui funzione è svolta da dispositivi come i transistor. Un transistor è la forma più semplice dell’elaborazione dati nei computer: fondamentalmente è un interruttore che può chiudere e aprire la strada all’informazione che sta passando.
Questa informazione è veicolata da bit, che possono avere i valori 0 o 1; combinazioni di più bit possono rappresentare informazioni sempre più complesse. I transistor sono combinati per creare porte logiche che fanno ancora elaborazioni altrettanto semplici. Ecco un esempio: la porta logica di Tipo AND restituisce un output 1 solo se entrambi i suoi ingressi valgono 1 altrimenti da un output di 0 (anche se un solo valore vale 0 l’output restituito è 0)
Combinazioni di porte logiche infine formano le basi per i moduli che possono sommare due numeri. Una volta che si può sommare si può moltiplicare e una volta che si può moltiplicare si può praticamente fare tutto il resto, poiché ogni operazione matematica di base è letteralmente più semplice della matematica di seconda elementare. Per capire meglio, possiamo immaginare un computer come un gruppo di bambini di 7 anni, che risponde prontamente a basilari calcoli matematici. Un gruppo sufficientemente grande di bambini può calcolare qualunque cosa: da quesiti di astrofisica a problemi di statistica.
Poiché i componenti del computer diventano sempre più piccoli, la fisica quantistica sta complicando le cose: poiché un transistor non è altro che un interruttore elettronico, e come sappiamo l’ elettricità è composta da elettroni che si muovono da un posto a un altro, un transistor è un passaggio obbligato che può bloccare gli elettroni nel loro avanzamento.
Ad oggi una tipica dimensione per un transistor è di 14 nanometri, cioè circa 8 volte più piccolo del diametro del virus dell’ HIV e 500 volte più piccolo di un globulo rosso. Proprio perché i transistor si stanno riducendo alle dimensioni di pochi atomi, gli elettroni si possono trasferire da un lato all’altro della barriera dell’interruttore grazie ad un fenomeno chiamato tunnel quantistico. Nell’ambito quantistico, la fisica si comporta in maniera diversa rispetto alla maniera predicibile cui siamo abituati: infatti i computer tradizionali smettono di funzionare.
Questo rappresenta una reale barriera fisica per il nostro progresso tecnologico. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno provando a usare questo comportamento inusuale a loro vantaggio, costruendo computer quantistico, Ma come funziona un computer quantistico?
Nei computer tradizionali i bit sono le più piccole unità dell’informazione, mentre nei computer quantistici sono i Qbit, che possono anche loro essere settati in uno dei due valori (0-1)
Un Qbit di Google o IBM può essere un qualunque sistema a due livelli, come per esempio lo spin quantistico il campo magnetico o un fotone, 0-1 sono dei possibili stati del sistema, esattamente come la polarizzazione orizzontale o verticale del fotone. Nel mondo quantistico non è necessario che il Qbit sia solo in uno di questi stati: infatti può valere una qualunque proporzione dei due stati fondamentali. Questa particolarità è chiamata sovrapposizione quantica. L’ambiguità del Qbit decade non appena andiamo a osservare il suo valore, facendo passare il fotone all’interno di un filtro dove dovrà decidere se essere polarizzato orizzontalmente o verticalmente. Il Qbit rimane dunque in uno stato di sovrapposizione di probabilità, che sia 0 o 1: non è possibile predire in quale stato sarà, ma nell’istante in cui lo si misura collassa in uno di questi due stati fondamentali.
La sovrapposizione quantistica segna una svolta nel campo dell’informatica: 4 bit possono valere solo una alla volta delle 2^4 possibili configurazioni, mentre i Qbit in sovrapposizione possono valere tutte le 16 combinazioni nello stesso momento. Questi numeri crescono esponenzialmente con ogni Qbit aggiunto: 20 di questi, per esempio, possono immagazzinare un milione di valori in parallelo.
Uno dei più grandi ostacoli alla realizzazione di un computer quantistico è la manipolazione del Qbit: una normale porta logica prende un semplice set di input e produce un definito output, mentre una porta logica quantistica manipola un input di sovrapposizione, ruotando le probabilità e producendo un altro stato di sovrapposizione in output, quindi un computer quantistico prende qualche Qbit applica porte logiche quantistiche per creare dei partner connessi in entanglement (groviglio): manipola le loro probabilità e infine misura gli output facendo collassare le sovrapposizioni in definite sequenze di 0 e 1. Questo significa che avremo l’intero set di calcoli che sono possibili con il nostro setup tutti fatti nello stesso tempo e in conclusione possiamo misurare un solo risultato che probabilmente sarà quello che vogliamo. Probabilmente dovremmo fare più controlli e provare di nuovo, ma dividendo le sovrapposizioni e gli entanglement, questo calcolo può essere esponenzialmente più efficiente di quanto potrà mai essere su un computer non quantistico.
I computer quantistici probabilmente non rimpiazzeranno mai i nostri personal computer, ma in altre aree di utilizzo sono largamente superiori. Una di queste è la ricerca nei database: per cercare qualcosa in un database un computer normale potrebbe dover verificare ogni singola voce del database, mentre un algoritmo quantistico impiegherebbe solamente la radice quadrata di quel tempo che, per un grande database è una enorme differenza.
Un altro utilizzo di un computer quantistico sarebbe il Bypass dell’IT Security: la nostra navigazione, le email e i nostri dati bancari sarebbero davvero sicuri grazie ad un sistema di criptazione che consiste nel dare a tutti una chiave pubblica con cui criptare i messaggi che solo noi singoli tramite le nostre chiavi private possiamo decriptare. Il problema è che questa chiave pubblica può essere utilizzata per risalire alla nostra chiave privata, ma fortunatamente per fare i calcoli necessari un normale PC impiegherebbe letteralmente centinaia di tentativi ed errori, mentre un computer quantistico, grazie alla sua intelligenza esponenziale, potrebbe riuscirci in un attimo.
Il calcolo quantistico può fornire nuovi approfondimenti sulle rappresentazioni di proteine, che potrebbero rivoluzionare la medicina contemporanea. Ad oggi non sappiamo se i computer quantistici saranno una grande rivoluzione per l’umanità. Non abbiamo idea di dove si pongano i limiti di questa tecnologia: soltanto il futuro potrà rivelarci le risposte che cerchiamo. Per adesso non ci resta che aspettare.