06:12 19 Dicembre 2018
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Universo quantistico: trasformare il cosmo in un computer gigante?

© Foto: ESA/Hubble, NASA
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La fisica quantistica descrive il comportamento di tutto ciò che ci circonda. È possibile trasformare l’intero Universo in un computer quantistico? Lo noterebbero gli extraterrestri? Perché ci possono servire macchine del genere? A rispondere a queste domande è Jacob Biamonte, professore presso Skoltech Faculty specializzato in questo campo.

"Un futuro brillante"

"Venni per la prima volta in Russia più di 10 anni fa non per occuparmi di fisica. Sono appassionato di arti marziali e, in particolare del sambo, e venni per imparare cose nuove. Già allora mi resi conto che qui è possibile anche fare scienza ad alti livelli cercando collaborazioni con scienziati di tutto il mondo", racconta lo Biamonte.

Oggi è a capo del laboratorio "Deep quantum labs", creato due anni fa nell'ambito di Skoltech Faculty per unire gli sforzi di fisici, matematici, programmatori e ingegneri russi e stranieri impegnati nello studio di problemi legati allo sviluppo di sistemi di calcolo quantistici.

"Non ci occupiamo della pratica, ma di tutti gli aspetti teorici dei calcoli quantistici e interagiamo con gli sperimentatori, in particolare con scienziati di Skoltech Faculty ed esperti dell'Università Statale di Mosca, del Russian Quantum Center e dell'Università di San Pietroburgo di tecnologie dell'informazione, meccanica e ottica. Siamo aperti a collaborare e pronti ad aiutare tutti coloro che stanno studiando questi stessi problemi", continua Biamonte.

Cos'è un computer quantistico? Si differenzia in modo sostanziale dai classici dispositivi di calcolo che permettono di effettuare operazioni matematiche semplici o complesse con cifre o insiemi di dati espressi con numeri zero e uno.

Nei computer quantistici i cui fondamenti sono stati formulati più di 30 anni fa dal fisico sovietico Yury Maniny le informazioni sono codificate in modo totalmente diverso. Le unità di informazione quantistica, i cosiddetti Qubit, possono contenere non o uno zero o un numero uno, ma un'intera gamma di significati compresi fra di loro.

Dunque, la potenza di simili calcolatori cresce in maniera esponenziale: il funzionamento di un processore quantistico è impossibile da comprendere anche con l'ausilio dei più potenti supercomputer tradizionali.

Per lungo tempo questi dispositivi sono stati oggetto di fantascienza e di ipotesi teoriche dei fisici, ma negli ultimi 15 anni gli scienziati hanno fatto passi avanti nella creazione di Qubit e nella loro unione per formare sistemi più complessi. Le versioni più avanzate di computer quantistici, elaborate da Google, IBM e dal gruppo di Mikhail Lukin presso l'Università di Harvard, contengono un numero di Qubit compreso tra 20 e 50.

Nonostante questi traguardi, i creatori di questi computer sostengono che sistemi di calcolo completi in grado di risolvere qualunque problema saranno disponibili solo fra 10 o 20 anni. La cosa interessante è che questa stima non varia dalla fine degli anni '90, ma ogni volta sorgono nuovi problemi che ritardano la venuta del fantomatico "brillante futuro quantistico".

Biamonte, come sottolinea nelle sue conferenze, la pensa in modo diverso: secondo lui, calcolatori quantistici "utili" compariranno ben prima, ma non saranno come se li immaginano i media e il grande pubblico.

"Oggi in fisica vi è un grande problema che è al contempo anche un grande vantaggio di questa scienza. Tutto è nelle mani degli sperimentatori. Per qualche ragione loro pensano che gli esperimenti per la scienza siano più importanti della teoria. Grazie ai fondi stanziati per gli esperimenti, la fisica teorica rimane di fatto marginale", afferma Biamonte.

Il professore si definisce un rappresentante della fisica teorica classica le cui idee erano predominanti sulla scena scientifica un secolo fa nelle prime fasi della creazione della meccanica quantistica e della fisica contemporanea einsteiniana. Negli ultimi decenni Biamonte e chi come lui ha dovuto passare a facoltà matematiche dove si può sentire molto più a proprio agio.

"Gli sperimentatori, fra cui rientrano anche i creatori dei computer quantistici, si interessano solamente delle proprie creazioni. Con le dovute rare eccezioni, questi non si interessano di ciò che è noto riguardo alle possibilità di impiego di questi dispositivi. E ciò influisce sulla loro mentalità portandoli a dare stime non razionali, ma dettate dall'emozione", spiega il ricercatore.

Ad esempio, al momento non vi è alcuna prova affidabile del fatto che i computer quantistici possano superare quelli tradizionali per velocità di calcolo. Tuttavia, precisa Biamonte, se generalizziamo tutti i modelli semplificati che dimostrano alcuni aspetti di questa presunta superiorità, otterremo una prova del tutto convincente a favore dei calcolatori quantistici.

"Da un alto, Aleksey Ustinov, Aleksandr Zagoskin e gli altri leader in questo settore hanno ragione: il computer quantistico non sarà disponibile a breve. Dall'altro lato, in questo caso si tratta di dispositivi universale in grado di correggere i propri errori", osserva il fisico.

L'incapacità di fare una cosa del genere in un computer, sottolinea Biamonte, non lo rende del tutto inutile o incompleto.

Un aritmometro atomico

"In natura infinito è il numero di esempi di sistemi quantistici che non possiedono questa capacità. Il loro funzionamento è difficile da comprendere utilizzando i computer tradizionali. Per questo, la creazione di un sistema quantistico che imiti questi processi ci permetterà di effettuare i calcoli e ottenere risultati positivi", afferma lo scienziato.

L'idea non è affatto nuova: è stata già formulata dal celebre fisico americano Richard Feynman solamente due anni dopo la pubblicazione dei primi articoli di Manin. Come ha osservato Biamonte, gli sperimentatori hanno creato sistemi simili negli ultimi anni, mentre i teorici stanno pensando a come impiegarli.

Questi dispositivi di calcolo, i cosiddetti computer adiabatici, devono assolutamente impiegare effetti quantistici, ma per la risoluzione di molti problemi tradizionali sono sufficienti interazioni a livello atomico.

"Esistono tre tipologie di dispositivi di calcolo di questo tipo: dispositivi tradizionali, i loro analoghi quantistici con hardware accelerato e i processori quantistici completi creati sulla base di elementi logici quantistici. Sono stati creati rispettivamente dalla società Fujitsu, da D-Wave e nei laboratori IBM", spiega lo scienziato.

Biamonte e i suoi colleghi di Skoltech Faculty sono interessati soprattutto ai dispositivi del terzo gruppo. Questi, infatti, sono piuttosto complicati da creare, ma possono essere impiegati per la risoluzione di compiti complessi: dal machine learning alla creazione di nuovi medicinali.

"Questi dispositivi sono molto interessanti, ma i primi di questo tipo saranno disponibili solamente fra alcuni anni. Tuttavia, i dispositivi classici e quelli quantistici potrebbero essere creati già ora. E in pratica sono i computer più utili fra quelli quantistici", aggiunge Biamonte.

Molti processi nella fisica delle particelle, aggiunge il ricercatore, sono stati programmati dalla natura in modo tale da ridurre al minimo il consumo energetico. Dunque, una volta imparato a gestire questi processi, sarà possibile affidare a un insieme di atomi o di altri corpi il compito di effettuare questi calcoli per noi.

"Perché perdere così tanto tempo ad ottimizzarli quando lo si potrebbe già fare con un dispositivo tradizionale o con uno quantistico simile a quello di D-Wave? Per usare una metafora, perché, per studiare il vento, utilizzare strumenti aerodinamici virtuali quando ne abbiamo già di veri e propri? Molte società russe ci stanno pensando e noi le aiutiamo attivamente", sottolinea lo scienziato.

Il buon esito di questi esperimenti aprirà la strada alla creazione dei dispositivi quantistici nei quali si applicheranno i principi della fisica quantistica per accelerare le interazioni fra gli atomi e le altre particelle. Chiaramente, alcuni problemi scientifici saranno per loro inaccessibili, ma saranno comunque in grado di risolvere problemi quotidiani come il miglioramento della circolazione stradale o la gestione di un portafoglio azionario.

La maggior parte degli osservatori, osserva il professore di Skoltech Faculty, ipotizza che la "corsa" quantistica la vincerà Google. Biamonte non è d'accordo: i rappresentanti della società californiana amano molto presentare i loro successi, ma non pubblicano quasi mai articoli scientifici e non svelano i segreti dei propri dispositivi quantistici.

Secondo Biamonte, i più vicini all'obiettivo sarebbero gli ingegneri di IBM: infatti, i calcolatori di questa società funzionano davvero ed è anche possibile verificarne il funzionamento in qualsiasi momento grazie ad appositi sistemi di condivisione in cloud. Tuttavia, per adesso queste macchine non possono ancora essere impiegate per la risoluzione di compiti complessi.

Galassie "pensanti"

Se sistemi simili saranno creati in un prossimo futuro, verrà sollevata una domanda legittima: con quali materiali crearli? Quali dimensioni potranno raggiungere? Come influenzeranno la nostra vita?

Come ritiene Biamonte, grandi limiti fisici non ci sono per computer quantistici con milioni di Qubit. Ma non è affatto chiaro quanti Qubit ci saranno in realtà perché al momento ci troviamo in una fase molto precoce dello sviluppo di queste tecnologie.

"Al momento per lavorare con computer quantistici stiamo provando ad adattare le tecnologie di produzione già esistenti. Tuttavia, nessuno sa se questa sia la via giusta da intraprendere. Vi sono sistemi che maggiormente si confarebbero alla creazione di dispositivi quantistici, ma sono molto più complicati da gestire", spiega lo scienziato.

Ad esempio, particolari difetti all'interno dei diamanti, così ben isolati dal mondo esterno come gli atomi singoli nel vuoto dello spazio. Quanti punti del genere potrebbero trovarsi in un diamante e a che distanza si collocherebbero senza intralciarsi l'un l'altro ancora non è chiaro. Dalla risposta a queste domande dipenderà l'utilizzo o meno dei diamanti nei computer quantistici.

Dispositivi quantistici più grandi, secondo Biamonte, risolveranno non solo compiti pratici legati alla quotidianità delle persone, ma anche complessi problemi scientifici.

Forse riusciranno a scoprire la natura quantistica della gravità e a verificare la teoria di Biamonte della simmetria del tempo. Per farlo, sarà necessario verificare la presenza di eventuali alterazioni di tale simmetria o invertire il corso del tempo mentre questi macchinari effettuano i loro calcoli.

Una volta che l'umanità risolverà questi problemi, di cosa si occuperà poi la scienza? Secondo Biamonte, questa domanda è legata quasi in maniera paradossale alla ricerca della vita extraterrestre e con il modo in cui abitanti di altri pianeti possono entrare in contatto con noi.

"Immaginatevi quando saremo in grado di sottomettere al nostro potere tutta l'energia dell'Universo. Qual è la prima cosa che faremo? Chiaramente, potremmo autodistruggerci, ma c'è anche uno scenario più interessante. Ad esempio, avremmo la possibilità di aumentare in modo esponenziale la velocità di rivoluzione terrestre e lasciare in orbita un computer", racconta il fisico.

Secondo la teoria della relatività il tempo sul nostro pianeta rallenta. Se la situazione non cambierà per alcune decine di anni, i dispositivi quantistici di calcolo o il computer tradizionale potrebbero continuare a funzionare nel "mondo esterno" per alcuni millenni. Ma non è indispensabile un computer umano; il suo ruolo, infatti, può essere svolto da diversi corpi celesti come nebulose giganti.

"Non vi sono limiti a questa "accelerazione di calcolo", ma tutti noi sappiamo che il tardo Universo per noi non sarà un luogo molto interessante. Le stelle gradualmente cominceranno a spegnersi, mentre le galassie diventeranno invisibili l'una all'altra a causa dell'inflazione dell'universo", osserva il professore.

Queste riflessioni sollevano una domanda legittima: se questo è alla portata dell'umanità, cosa impedisce agli extraterrestri di fare lo stesso? Dunque, qualche traccia di simili calcoli quantistici "cosmici" o di loro analoghi tradizionali dovrebbero essere presenti nello spazio. Come individuare questi enormi computer quantistici degli extraterrestri?

"Non posso dare una risposta esatta perché non sappiamo come si possano cercare. Al tempo stesso, però, l'esistenza di questi "calcolatori universali" è, secondo me, molto più probabile della comparsa spontanea di pianeti "intelligenti" e di altri corpi celesti in grado di riconoscere se stessi. Questo è argomento frequente di discussione dei filosofi "quantistici", conclude Biamonte.    

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