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Scienza e tecnologia

Alla scoperta del computer quantistico – Le macchine del futuro

Computer quantistico

Google, in collaborazione con la NASA, dopo due anni di ricerche, ha finalmente annunciato la comparsa di un primo prototipo di computer quantistico. Si chiama D-Wave, e, stando a quanto afferma l’azienda produttrice, sarà capace di portare a termine un processo 100 milioni di volte più velocemente di quanto farebbe un normale operatore. Ma come funziona di preciso un computer quantistico?

Per comprenderlo, facciamo un passo indietro: dalla costruzione delle prime macchine informatiche nei primi decenni del ‘900, come la famosa Macchina di Turing, il progresso ha fatto passi da gigante, e le componenti dei computer si sono fatte sempre più piccole e potenti. Siamo arrivati a creare circuiti integrati, comunemente detti microchip. Un microchip è un circuito elettrico miniaturizzato, di solito in silicio, che analizza e trasforma segnali di input in segnali di output.

Ora, le unità base dei microchip si chiamano transistor, e funzionano come degli interruttori: bloccano o aprono il passaggio alle informazioni. Dalla fine degli anni ‘80 queste componenti fondamentali sono andate rimpicciolendosi, e adesso hanno raggiunto le dimensioni di 32 nanometri: per rendere l’idea, il virus dell’HIV misura all’incirca 120 nanometri. Essendo ormai formati da pochi atomi, se dovessero ridursi ancora, diventerebbero poco più grandi di un elettrone. Gli elettroni però sono particelle fondamentali, soggette alle leggi della meccanica quantistica.

Quindi, ciò a cui stanno puntando gli informatici adesso è la creazione di computer le cui unità base possano sfruttare le proprietà di questa misteriosa branca della fisica moderna. Come progettano di farlo? Con l’introduzione dell’enigmatico qubit.

I computer tradizionali utilizzano il bit come unità di misura dell’informazione, che è codificata in una serie di 1 e di 0. In un computer quantistico invece, è il qubit (quantum bit) a trasmettere il messaggio. La particolarità del qubit è che può servirsi della sovrapposizione di stati, una proprietà della meccanica quantistica, che si può comprendere meglio facendo un confronto col paradosso del gatto di Schrödinger.

Prendiamo un gatto, e rinchiudiamolo in una scatola, completamente isolato dall’esterno. Dentro la scatola c’è un dispositivo programmato per sparare al gatto, ma c’è solo il 50% di possibilità che si attivi. Ragioniamo in termini di meccanica quantistica, che analizza dati probabilistici, non certi: finché non apriamo la scatola e non verifichiamo coi nostri occhi, c’è la stessa possibilità che il gatto sia vivo o che sia morto. Il nostro felino esiste in una situazione di due stati sovrapposti (vivo e morto), per questo è come se vivesse e morisse nello stesso tempo.

Il qubit funziona allo stesso modo: prima di essere rilevato è sia 1 che 0, così facendo può trasportare il doppio delle informazioni.

La sovrapposizione di stati non è l’unico vantaggio di cui gode il qubit; anche proprietà ben più complesse, come l’entanglement o il tunneling quantistico, contribuiscono a renderlo estremamente versatile e funzionale (per approfondire: link).

Finora la costruzione di un computer quantistico funzionante è andata incontro a molti ostacoli: primo fra tutti la manipolazione di queste particelle, che, proprio così mutevoli, rischiano di veicolare informazioni sbagliate, o di perderne. Inoltre, i circuiti dell’ipotetico super-computer andrebbero mantenuti ad una temperatura molto vicina allo zero assoluto, per fare in modo che non ci siano resistenze alla corrente elettrica.

Le possibili applicazioni di un computer quantistico sono innumerevoli: dalla crittografia, alle missioni spaziali, dalle simulazioni relative a molecole e atomi, all’intelligenza artificiale. Il prototipo di Google e NASA verrà reso disponibile nel 2020, ed i primi studiosi a testarlo saranno quelli del Los Alamos Laboratory. Adesso non ci resta che attendere con pazienza i primi risultati, per scoprire dove la scienza e l’informatica ci stanno portando.

Anna Passanese

(In copertina Pete Linforth da Pixabay)


Alla scoperta del computer quantistico è il primo articolo della serie Le macchine del futuro, di Anna Passanese.

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