Il fascino del qbit

Nel 1981 Richard Feynman, durante la conferenza Physics of Computation - Endicott House MIT, propose che se si vuole simulare la natura occorre costruire un computer quantistico.

Per spiegare cosa intendeva dire Richard Feynman occorre introdurre il concetto di qbit. Sappiamo che il mondo dei computer e, più in generale, dell'elettronica digitale, ruota attorno al concetto di bit che può assumere valori (0,1).
Un qbit, invece, può valere 0 e 1 allo stesso istante. Per chi si ricorda il paradosso del gatto di Schröedinger è abbastanza facile comprendere il concetto di contemporaneità di valore 0 e 1.

Computer quantistico

Ma cos'è un computer quantistico? Prendiamo un esempio. Togliamo da un mazzo da poker 3 K e 1 Q, mescoliamo le 4 carte e mettiamole coperte sul tavolo. Se dovessimo formulare questo problema per poterlo far risolvere ad un Computer, dovremmo caricare in memoria le 4 carte in 4 slot di memoria differenti. L'algoritmo, per trovare l'unica Q, potrebbe prevedere di procedere in ordine nella lettura degli slot (o anche randomicamente) ed avremmo una complessità computazionale O(N). Questo ci indica che il tempo di soluzione del problema è lineare rispetto al numero delle carte.
Se lo stesso problema fosse proposto ad un computer quantistico la complessità sarebbe O(1), ovvero costante.

E' facile comprendere, a questo punto, che un computer quantistico non è un computer più veloce, ma qualcosa di fondamentalmente diverso da quanto attualmente conosciamo. E' un po' come se tutti gli stati possibili fossero analizzati allo stesso istante. L'enumerazione degli stati possibili può essere espresso in potenza di 2 e, conoscendo l'andamento della funzione esponenziale, è chiaro che con pochi qbit si riescono ad ottenere risultati molto importanti.

Per dare un ulteriore esempio, analizziamo un problema estremamente complesso: la fattorizzazione in numeri primi M=p*q. Il problema è così complesso che, ad oggi, nessun computer riesce a risolverlo in maniera veloce, per questo motivo è alla base di molti algoritmi crittografici. Ma facciamo un salto in avanti di qualche decina di anni, sperando che la tecnologia prosegua il lavoro iniziato sui qbit: tale problema potrebbe essere risolto da un computer quantistico in qualche centinaia di secondi in confronto a svariati miliardi di anni necessari dall'attuale tecnologia.

Attingiamo al mondo della chimica per un altro interessante esempio:

FeS + H2S -> FeS2 + 2H+ 2e-

Questa reazione avviene in fondo agli oceani nei pressi dei vulcani e si ipotizza sia alla base della formazione della vita sulla Terra. Ma se si prende una molecola, come ad esempio il solfuro ferroso (FeS), e si provano a fare calcoli relativamente semplici con un normale computer, si scoprirà che i risultati non sono così accurati. La causa è che, per questa semplice molecola, si hanno 76 orbitali e 2^76 è una grandezza con la quale i tradizionali computer non si possono confrontare: si tratta di un problema di meccanica quantistica.

A che punto siamo?

Sì, esistono computer quantistici, così ci togliamo subito il dubbio. IMB sta svolgendo parecchie ricerche e ha costruito diversi prototipi. La difficoltà nel costruire un computer quantistico sta nel fatto che necessità di superconduttori che, a loro volta, necessitano di essere raffreddati. Attualmente, banalizzando la descrizione, un computer quantistico è composto da un enorme frigorifero alla cui base risiede l'unità di calcolo di 16qbit mantenuta alla temperatura di 15 milliKelvin (circa -273°C), una temperatura inferiore a quella dello spazio. All'interno del "frigorifero" ci sono anche i cavi di connessione che sono coassiali, perchè le informazioni scambiate e recepite dai qbit sono impulsi a microonde.

IMB, nell'ottica di diffondere le proprie ricerche, ha creato un computer quantistico a 5 qbit disponibile per chiunque voglia provare ad usarlo. Attualmente conta 36.000 utenti di 100 nazionalità differenti.

Conclusioni

Anche se attualmente il computer quantistico può apparire come un grosso, pesante ed ingombrante macchinario bisogna essere coscienti che stiamo esprimendo lo stesso parere delle persone che hanno visto il PDP-1 negli anni '70. Gli sviluppi potrebbero essere tali che, quando si arriverà ad avere un computer di 50 qbit (2^50 stati), nessun computer "classico" potrà cercare di emulare quanto è possibile realizzare con tale macchina.

"La natura non è classica, dannazione, e se vuoi realizzare una simulazione della natura, faresti meglio a renderla quantistica e, perbacco, è un problema meraviglioso, perché non è così semplice.

Richard P. Feynman