La maratona verso i computer quantistici

Acceso o spento. Sì oppure no. Uno oppure zero. Sono i valori che associamo ai bit, le particelle basilari dell’informatica classica, l’unità di misura della quantità d’informazione, basate sulla logica binaria. Possiamo costruire super computer in grado di compiere difficilissime operazioni, ma tutto alla fine è riducibile a quel bit che può avere solo e soltanto quei due stati. Eppure, nel mondo dell’informatica non ci sono solo loro. O meglio, non ci sono più soltanto loro.

“La natura funziona secondo le leggi della meccanica quantistica e quindi per simularla ci vuole un computer che segua quelle leggi”. Lo aveva capito oltre 40 anni fa il grande fisico americano, Richard Feynman, Premio Nobel nel 1965, il quale inaugurò di fatto lo studio di un nuovo tipo di informatica basata sul quantum computing.
“Un calcolatore quantistico è una macchina che modifica un’informazione codificata in oggetti fisici quantistici come elettroni, fotoni e atomi”, spiega Simone Severini, Director Quantum Computing di Amazon Web Services. Tutta un’altra storia rispetto ai calcolatori classici “da cui questi computer quantistici non differiscono solo nelle dimensioni, ma proprio nelle leggi fisiche che li regolano”. Non a caso nei computer quantistici non ci son più i bit ma i qubit, i quantum bit, le unità alla base di questi nuovi computer, che hanno una caratteristica tipica della meccanica quantistica: quella della sovrapposizione.

Un qubit può effettuare operazioni molto più complesse rispetto a quelle effettuate dai computer tradizionali. I computer quantistici, proprio grazie ai qubit, codificano lo stato quantistico di una particella e memorizzano molte più informazioni rispetto alle due possibilità offerte dai bit tradizionali.

Davide Venturelli è anche lui italiano ed è direttore associato per il quantum computing alla Universities Space Research Association (Usra). “Quello che si fa nella computazione quantistica – spiega Venturelli – è mappare un esperimento di fisica in un problema matematico, partendo dalle leggi della natura come principi computazionali”. Attorno al quantum computer l’interesse è crescente e ormai ha travalicato i confini delle accademie per entrare in campo commerciale. Tra i colossi del settore è scattata negli ultimi anni una vera e propria competizione a colpi di qubit. Ibm ha annunciato lo sviluppo di un computer quantistico da 1000 qubit per il 2023 mentre Google, nell’ottobre del 2019, su Nature ha dimostrato con il suo Sycamore di poter svolgere in 200 secondi operazioni complesse, risolvibili con i normali super computer in non meno di 10.000 anni.

Al di là degli annunci, tuttavia, il presente è ancora caratterizzato da macchine troppo piccole per poter testare empiricamente i risultati teorici raggiunti. “Attualmente siamo in una fase esplorativa della ricerca – ammette Venturelli – Intuiamo che avremo simulazioni di fisica quantistica più precise, che riusciremo a fare ricerche più efficienti nei database o che risolveremo alcune operazioni di algebra lineare più velocemente. Ma nella pratica stiamo facendo esperimenti su computer con massimo 50 qubit, numeri che non risolvono i reali problemi industriali”.

Su quali tecnologie si sta puntando per la costruzione dei computer quantistici? “Ci sono tecnologie allo stato solido basate sui superconduttori, la stessa tecnologia che costruisce i circuiti integrati usati oggi nell’elettronica. Un limite di questa tecnologia è che richiede temperature bassissime e l’hardware è soggetto a rumori elettromagnetici e all’impurezza dei materiali. Poi ci sono tecnologie in cui gli atomi (ioni o neutri) sono “raffreddati”, intrappolati nel vuoto e fatti interagire con laser o campi elettromagnetici. Il grande vantaggio è proprio che l’atomo freddo è un qubit naturale.

La grande difficoltà è invece che, attorno a questa modalità, va costruito un set di tecnologie che ancora non esiste; la tecnologia fotonica – prosegue Davide Venturelli – è quella dell’ottica dei singoli fotoni, che sono più resilienti ai rumori e si possono usare anche a temperature ambiente. Ma è una tecnologia molto più difficile da controllare dato che si deve preparare, misurare e fare interagire ogni singolo fotone, sfuggente per definizione”.

Quale che sia la tecnologia, un elemento appare chiaro: sono computer difficili da costruire. Il perché sta proprio nella loro natura quantistica. “È difficile manipolare a nostro piacimento degli oggetti fisici quantistici – sottolinea Andrea Severini – La natura vuole che l’informazione codificata in un oggetto quantistico sia molto fragile e soggetta a essere persa velocemente, data l’interazione tra l’oggetto e il mondo esterno. Questo fenomeno si chiama decoerenza e riuscire a combatterla è il problema più grande che bisogna affrontare”. Superate queste difficoltà avremo dei nuovi computer destinati a soppiantare quelli a cui siamo abitati oggi? “Non ci sarà nessuna sostituzione, perché i computer quantistici sono più veloci a risolvere solo alcuni problemi specifici”. E allora in quali ambiti questi computer saranno utili? “Saranno fondamentali nel simulare i sistemi fisici quantistici, fattore essenziale per la scoperta di nuovi materiali, per la ricerca nel campo delle batterie, delle celle solari, delle reazioni chimiche”. Medicina, farmacia, chimica, energia sono tutti campi in cui i computer quantistici possono rappresentare davvero una svolta decisiva. L’importante, come avviene sempre in scienza, è non avere fretta. “Nella computazione quantistica – conclude Severini – l’innovazione si sviluppa con ritmo crescente. Non è uno scatto ma una maratona”.