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Cosa può fare un computer con una potenza senza precedenti. Intervista con il suo creatore

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Già da trent’anni il computer quantistico è uno dei progetti tecnico-scientifici più importanti e discussi. Abbiamo ricevuto delucidazioni sulle sfumature decisive del suo funzionamento e sugli obiettivi di questo settore dall’esperto di fama mondiale Aleksej Ustinov.

Già da trent’anni il computer quantistico è uno dei progetti tecnico-scientifici più importanti e discussi. Abbiamo ricevuto delucidazioni sulle sfumature decisive del suo funzionamento e sugli obiettivi di questo settore dall’esperto di fama mondiale Aleksej Ustinov, capo dei laboratori di “Metamateriali superconduttori” dell’Università nazionale di ricerca tecnologica "MISiS" (NITU MISiS), direttore del gruppo “Catene quantiche superconduttrici” del Centro quantistico russo (RKTs) e professore dell’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (Germania).

— Potrebbe dirci che cosa si richiede al computer quantistico?

— Credo si tratti, in primo luogo, della creazione di materiali con proprietà prestabilite. Per progettare una molecola che abbia più di 50 legami interatomici, non basterebbe la potenza di tutti i computer sulla faccia della Terra. Oggi, di fatto, possiamo produrre nuove molecole stabili mentre vengono verificate le loro caratteristiche chimiche a livello sperimentale, mentre un computer quantistico sarebbe in grado di svolgere tale compito in modo analitico.

Esistono molteplici problemi che non sono alla portata di un un computer tradizionale. I principi di un’intera serie di settori, dalla crittografia all’intelligenza artificiale, potrebbero cambiare radicalmente alla comparsa dei primi computer quantistici.

Tenete conto del fatto che, dall’invenzione del transistor, sono passati oltre dieci anni per la maturazione dell’idea di microprocessore e per rendersi conto di ciò che quest’ultimo era realmente in grado di fare. Penso che la situazione del computer quantistico sia simile: superando certe difficoltà fondamentali e impostando una configurazione migliore, ci si aprirà davanti un gran numero di nuove possibilità.

— Che cos’è il qubit?

— È l’analogo del bit nei computer quantici. Da un punto di vista informatico si tratta di un sistema capace di assumere significato contemporaneamente nell’intero intervallo da 1 a 0, a differenza del bit, che può rappresentare solo 1 oppure 0 in maniera esclusivamente distinta.

A livello fisico, il qubit può essere qualunque particella: un atomo, un elettrone, un fotone. Il momento magnetico della particella ha due direzioni – per convenzione, in alto e in basso – e proprio questi stati diventano gli analoghi di 1 e 0 nel computer di tipo classico.

Le informazioni nei bit possono essere elaborate soltanto in serie, bit dopo bit, mentre con i qubit si può elaborare un intero blocco di dati contemporaneamente, grazie all’effetto del parallelismo quantistico.

— Come vengono effettuate le operazioni nei qubit?

— I possibili significati del qubit si possono rappresentare come la superficie di una sfera con un singolo raggio: gli specialisti la chiamano sfera di Bloch. Lo svolgimento di operazioni logiche nel processo di calcolo consiste nello spostamento di un punto su questa superficie.

La gestione dei qubit viene fatta con l’aiuto di segnali a microonde che modificano lo stato energetico delle particelle. La lettura dei risultati avviene grazie ad uno speciale risonatore: è come ascoltare un suono accordato sul qubit, ma che si sente nella gamma di frequenze caratteristica della telefonia mobile.

— Quanti qubit servono per far funzionare un computer?

— Penso che la quantità non sia assolutamente l’indicatore più rilevante. La potenza del computer quantico non cresce proporzionalmente rispetto al numero dei qubit, ma esponenzialmente: ciò significa ad esempio che, se a quindici qubit ne aggiungiamo un altro, la potenza complessiva di calcolo viene aumentata di due volte.

Tuttavia, anche se creare un qubit potrebbe sembrare qualcosa di estremamente facile, trattandosi solo di una particella, in realtà ciò richiede moltissimi artifici. Per rendere possibili operazioni sensate, è necessario eliminare degli ostacoli fisici che provocano errori di calcolo - dalle oscillazioni termiche ai raggi cosmici. Altrimenti al posto dei calcoli otteniamo solamente rumore.

Quindi credo che adesso la cosa più importante sia quella di concentrarsi nel migliorare le caratteristiche dei qubit e la qualità dei legami tra di essi. Gli errori che si verificano in un singolo qubit possono già rivelarsi fatali, e aumentando il numero di qubit cresce anche il numero di errori. L’obiettivo di principio è vincere l’incoerenza, cioè imbastire un sistema coordinato e stabile fatto di molti qubit.

— Com’é noto, esistono diversi progetti di computer quantico. Quali varianti sono le più promettenti, secondo Lei?

— Ci sono due principali piattaforme in via di sviluppo. La prima utilizza ioni nel vuoto trattenuti da un laccio elettromagnetico. La seconda, che è sviluppata anche dai nostri laboratori, usa invece i cosiddetti circuiti quantici con giunzione Josephson, cioè pellicole sottolissime di alluminio e ossido di alluminio su supporto dielettrico che vengono raffreddate quasi fino allo zero assoluto.

Bisogna ammettere che la creazione di un calcolatore quantistico universale è un compito ancora lontano dalla sua realizzazione. La maggior parte dei risultati ottenuti al momento attuale provengono dai cosiddetti simulatori quantistici, congegni impostati sulla risoluzione di determinati problemi matematici e di problemi di fisica teorica, per il cui successo non è così rilevante il volume di errori.

— Quali sono, al giorno d­­’oggi, i maggiori risultati raggiunti nel vostro settore?

— Il problema principale dei calcoli quantici è il mantenimento della coerenza quantica. Negli ultimi quindici anni sono stati conseguiti grandi successi in questa direzione: oggi il periodo di coerenza dei qubit superconduttori raggiunge decine di microsecondi, che è già molto, anche se non ancora abbastanza per la soluzione di problemi applicati.

Nell’ottobre di quest’anno, la società Google ha presentato un processore quantico, che rappresenta di fatto un generatore di numeri casuali che permette di risolvere in 20 secondi un problema che richiederebbe quasi 2 giorni e mezzo al più potente supercomputer IBM. Possiamo quindi concludere che si tratta senza dubbio della prima vera apparizione della “prevalenza quantica”.

In Russia è stato creato e sviluppato con successo un consorzio di qubit superconduttori sulla base di alcuni laboratori altamente qualificati (NITU MISiS, MFTI, MGTU Bauman, RKTs, IFTT RAN e VNIIAA Duhov). In tre anni abbiamo effettuato un lavoro di dimensioni colossali: potremmo persino dire di aver recuperato dieci anni di ritardo in questo settore. Personalmente ritengo che oggi il nostro livello possa consentirci di sviluppare autonomamente il nostro percorso di ricerca in questa importantissima sfida.

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