Oracoli quantistici

Oracoli quantistici

12.12.2016 | La corsa al primo computer quantico è in pieno svolgimento, ma i dilemmi e i problemi sono ancora molti.

In un saggio accademico del 1982, il premio Nobel per la fisica Richard P. Feynman ipotizzò la realizzazione di potentissimi calcolatori basati su principi quantistici. Passarono tre anni e David Deutsch, una delle grandi autorità nel campo della computazione quantistica, dimostrò la fondatezza delle tesi di Feynman in un saggio intitolato Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer. In quel preciso istante, la scienza al confine tra meccanica quantistica e ingegneria informatica divenne uno dei campi di ricerca più incandescenti del pianeta.

È del 2013 la notizia che D-Wave 2X – un computer che utilizza un metodo chiamato ricottura quantistica – sarebbe in grado di operare a una velocità cento milioni di volte superiore a una macchina convenzionale. Per quanto strabiliante, questo dato rappresenta solo un’approssimazione della capacità di calcolo che potrebbe raggiungere un computer quantico “maturo”. Di fatto D-Wave 2X è poco più di un prototipo e, sebbene uno dei più promettenti, per gli esperti starebbe a un vero e proprio computer quantico come un bozzetto all’opera finita.

Per comprendere come un computer quantico sia in grado di fornire simili prestazioni è necessario scendere al livello delle interazioni quantistiche, lì dove la materia si comporta in maniera del tutto contro-intuitiva rispetto a quanto siamo abituati a osservare nella meccanica classica che regola la nostra vita quotidiana. 

A livello quantistico, una particella subatomica può trovarsi in due o più stati contemporaneamente: è il principio di sovrapposizione

A livello quantistico infatti, una particella subatomica può, tra le molte sorprese del suo comportamento, trovarsi in due o più stati contemporaneamente (principio di sovrapposizione) e l’osservazione del suo stato in un dato momento determinare istantaneamente quello di tutte le altre (entanglement quantistico). Sono due delle tante “strane” proprietà della quantistica che gli scienziati informatici di D-Wave e IBM – e decine di altre aziende impegnate nella corsa – sperano di domare per tagliare il traguardo del primo computer quantico totalmente operativo.

Se in un computer normale ogni bit di informazione può infatti presentarsi solo in uno tra due valori alla volta (1 o 0: i mattoni della programmazione binaria), in virtù delle suddette proprietà, ogni quantum bit (o qubit) di un computer quantico può presentarsi in entrambi allo stesso tempo: o meglio in tutti i possibili valori intermedi tra 0 e 1 contemporaneamente. Un computer quantico è quindi teoricamente in grado di elaborare molte più informazioni di un computer convenzionale, e molto più velocemente. Non solo: potrebbe essere in grado di fare tutto ciò disperdendo molta meno energia; il che, essendo ormai prossimi ai limiti della Legge di Moore, rappresenta uno dei vantaggi decisivi di questa tecnologia (appena 100 qubit, per esempio, possono immagazzinare 1.267.650.600.228.229.401.496.703.205.375 numeri possibili: svariati miliardi di volte la capacità di immagazzinamento di tutti i computer mai esistiti).

Per provare a spiegare come lavora un computer quantico rispetto a uno tradizionale, provate a visualizzare un problema come un labirinto. Se un computer tradizionale, seppure in poche frazioni di secondo, deve provare tutte le strade – a forza di 0 e 1 – per trovare infine l’unica uscita/soluzione, un computer quantico è invece in grado di esplorarle tutte contemporaneamente. Di fatto è come se per una simile macchina l’ingresso e l’uscita dal labirinto, i dati e la soluzione del problema, fossero compresenti nello stesso istante (con i suoi quasi 2000 qubit, D-Wave 2X può per esempio valutare 21000 possibili soluzioni contemporaneamente). Una caratteristica che in teoria renderebbe un computer quantico in grado di affrontare alcuni di quei problemi che, in gergo tecnico, l’informatica contemporanea definisce intrattabili per via dei limiti strutturali dei computer attuali.

Le applicazioni di un simile potere di calcolo sono vastissime: dallo sviluppo di intelligenze artificiali alla genetica, passando per la chimica, la finanza, gli armamenti e la cybersicurezza. Il che non solo lascia immaginare di quale colossale affare si tratti, ma spiega anche perché la ricerca su questa tecnologia costituisca uno degli snodi centrali nel dibattito tra evangelisti e cassandre della cosiddetta singolarità tecnologica.

Prima che questi dilemmi entrino a far parte delle nostre vite, potrebbero comunque volerci diversi anni. Una delle principali difficoltà ancora da superare è che i qubit sono estremamente difficili da implementare fisicamente. Al momento esistono diversi metodi, tutti così complessi e costosi che i più scettici sostengono che sarà impossibile creare un’economia di scala per questo genere di macchine e che esse rimarranno relegate a pochi ambiti iper-specializzati senza mai raggiungere il cosiddetto mass-market.

Le applicazioni di un simile potere di calcolo sono vastissime: dallo sviluppo di intelligenze artificiali alla genetica, passando per la chimica, la finanza, gli armamenti e la cybersicurezza

Un’altra e ancora più cruciale criticità ha a che fare con la cosiddetta decoerenza quantistica. Forse il paradosso più incredibile di un sistema quantistico (su cui Erwin Schrödinger ha costruito il famoso esperimento mentale del gatto nella scatola) è che non appena si prova a osservarlo da un punto di vista macroscopico esso smette di comportarsi “quantisticamente”. In pratica è come se, non appena lo si osserva da un livello diverso da quello subatomico, scomparissero tutte le proprietà che lo caratterizzano a quel livello (che è la ragione per cui la scienza conosce quelle proprietà solo indirettamente senza averle mai potuto osservare all’opera).

Allo stato delle conoscenze attuali, questo rende qualunque computer quantico molto instabile, difficile da programmare, e soprattutto si traduce nell’impossibilità di accertare se effettivamente la macchina si sta comportando come desiderato. Un possibile aggiramento del problema potrebbe essere sottoporgli, almeno inizialmente, soltanto quesiti di cui possiamo in qualche modo verificare le soluzioni per testarne l’attendibilità. Tuttavia questo restringerebbe di molto il suo campo di azione, e quindi, per quanto azzardato possa suonare, se non troveremo altri strumenti di controllo dei suoi processi, finiremo col dovergli chiedere conto di problemi per i quali non abbiamo nessun meccanismo di verifica. Semplicemente, ci dovremo fidare delle sue risposte. Chiamatelo, se vi pare, oracolo.

l'autore
Cesare Alemanni

Cesare Alemanni è attualmente senior editor di Alkemy. Tra il 2012 e il 2016 ha vissuto a Berlino dove ha fondato e diretto Berlin Quarterly, una rivista di giornalismo in lingua inglese finalista al Best Magazine Award 2014 di Stack. Tra il 2011 e il 2014 è stato caporedattore cultura di Studio.

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