Dalla storia al funzionamento di un computer quantistico
Ehilà, finalmente ci si rivede! Io sono sempre Enrico e questo è il mio secondo post sul blog. Invece di discutere ancora sulla mia prima esperienza personale con internet (argomento dello scorso post), in questo articolo vi parlerò di come la ricerca scientifica è stata determinante ed è tuttora alla base del funzionamento di un computer quantistico, e su quali principi fisici si basa questa nuova frontiera. Ma prima di iniziare in “medias res” e capire cos’è un computer quantistico e come funziona, analizziamo qualche pillola sulla storia dei computer quantistici. L’origine della storia risale al 1982, quando R. Feynman, fisico statunitense, espone la teoria ipotizzandone la realizzazione, definendoli «macchine di elaborazione che permettono lo studio di sistemi quantistici difficili da studiare in laboratorio e impossibili da modellare con un supercomputer». Successivamente nel 1985 D. Deutsch descrisse per primo la logica di un calcolatore quantistico, il quale avrebbe dovuto utilizzare il parallelismo quantico, ovvero la possibilità di operare calcoli in parallelo e non sequenziali, e la possibilità di elaborazione generalista, quindi di non sottostare alla logica booleana e senza avere l’obbligo predeterministico di interazioni o funzioni logiche. Infine, Deutsch andò oltre la tesi di Church-Turing affermando che «ciascun sistema fisico finitamente realizzabile può essere perfettamente simulato da un modello universale di macchina computazionale operante con risorse finite», principio secondo il quale un computer quantistico dovrebbe essere in grado di simulare qualsiasi esperimento fisico. Gettate queste prime basi teoriche, la ricerca ha sviluppato un’idea sempre più concreta che, nell’ultimo ventennio, ha stabilito le linee guida per la creazione di un computer quantistico. Oggi un computer quantistico è, da definizione, un computer che basa il suo funzionamento sulle leggi fisiche della meccanica quantistica moderna. La più grande differenza da un computer tradizionale è l’utilizzo di una nuova unità fondamentale: dai bit classici si passa ai qubit, cioè bit quantistici (quantistic bit). Queste inusuali unità di base sono sempre zero ed uno (acceso/spento). Ma quindi, qual è la differenza …? Beh, qui entra in gioco la prima legge fisica: la sovrapposizione degli effetti o principio di sovrapposizione quantistica, dove si afferma che ogni stato quantistico può essere descritto come la sommatoria di due o più altri stati quantistici sovrapposti tra loro. Analogamente avviene con i qubit, dove quest’ultimi sono, allo stesso tempo, sia zero che uno e probabilisticamente, anche tutti gli infiniti numeri compresi tra zero ed uno. Ma allora com’è possibile leggere il valore esatto di un una serie finita di qubit che trasmettono l’informazione? La meccanica quantistica non ci delude mai! Infatti, la proprietà che determina la lettura di uno stato quantistico che può solamente avvenire come sovrapposizione di più sistemi, si chiama correlazione quantistica o entanglement. Questo principio garantisce la lettura di una serie finita di qubit che, non potendo essere letti singolarmente, devono essere codificati partendo dal vincolo (correlazione) che li lega secondo una relazione di sovrapposizione, ovvero una serie finita di combinazioni che lavorano contemporaneamente. Dal punto di vista pratico, al giorno d’oggi, è possibile utilizzare il computer quantistico in due modi differenti: il primo si occupa di raffreddare i circuiti del computer ad una temperatura prossima allo zero kelvin, in modo tale da poterli sfruttare come superconduttori e poter lavorare in quasi assenza di resistenza, utilizzando anche altre proprietà fisiche; ed il secondo utilizza la trappola ionica quadrupolare: che permette di “intrappolare” particelle cariche all’interno di campi elettromagnetici, affinché lo spostamento derivato dagli elettroni di questi ultimi, possa produrre un cambiamento di stato quantico delle particelle ioniche che possono essere utilizzate come qubit. Mi raccomando, salvati il nostro blog tra i tuoi preferiti cosicché non dimentichi le pubblicazioni dei prossimi articoli! Simpaticamente Enrico G.