Cos’è il computer quantistico? Intervista all’esperto

Dopo aver cominciato il viaggio nel fantastico mondo della meccanica quantistica, attraverso questo articolo andremo alla scoperta dei fantomatici computer quantistici: strumenti dall’enorme potenziale di calcolo che potrebbero, in futuro, aiutarci a risolvere molti…problemi complessi. Per farci un’idea chiara di cosa siano i computer quantistici, abbiamo intervistato il Dottor Enrico Gazzola, fisico e divulgatore scientifico.

Dott. Gazzola, cos'è un computer quantistico?

Molto semplicemente, potremmo dire che si tratta di qualunque sistema veda sfruttate le sue proprietà prettamente quantistiche, con l’obiettivo di svolgere operazioni logiche. Queste proprietà sono la sovrapposizione di stati, l'interferenza e l'entanglement – qui un articolo sulle basi della fisica quantistica.

Quand’è che si è cominciato a parlare di computer quantistici?

Se ne parla fin dai primi anni Ottanta, anche se le fondamenta dell'Informatica quantistica erano state poste nel decennio precedente. In quegli anni le simulazioni al computer tradizionale rappresentavano già uno strumento importante per la ricerca scientifica, perché essendo molto utili per rappresentare e studiare i sistemi fisici erano –e sono– una via di mezzo tra la teoria e l'esperimento. Col tempo i ricercatori compresero, però, che la simulazione di sistemi quantistici –cioè microscopici– anche molto semplici, come una molecola, avrebbe richiesto ai computer tradizionali un enorme sforzo di calcolo. Di conseguenza, per simulare con naturalezza un sistema quantistico occorreva uno strumento con le stesse proprietà, quindi nacque l’idea dei computer quantistici. Ad avanzare una proposta tanto pionieristica furono, nel 1980, i fisici americani Paul Benioff e Richard Feynman e il matematico russo Yuri Manin.

Un balzo dell'interesse generale sull'argomento è sicuramente avvenuto nel 1994 quando l’informatico Peter Shor dimostrò che un computer quantistico sarebbe stato in grado di violare il più diffuso e importante sistema di crittografia che protegge le telecomunicazioni. Tuttavia, lo sviluppo teorico di questo settore è sempre stato molto più avanti di quello sperimentale, rallentato da difficoltà pratiche enormi. Per questo motivo oggi siamo ancora lontani dall'avere computer quantistici abbastanza complessi da poter applicare con successo l'algoritmo di Shor.

Come possiamo immaginare un computer quantistico?

Dobbiamo ricordare che affinché sussista il comportamento quantistico, è necessario prendere in considerazione sistemi microscopici che devono essere ben isolati dai disturbi ambientali, in particolare quelli termici. Per questo, i computer quantistici hanno tipicamente bisogno di essere raffreddati e tenuti a temperature molto basse, quasi allo zero assoluto (-273°C). Un po' come accade per i computer tradizionali, la parte più ingombrante e rumorosa dei computer quantistici è proprio il sistema di raffreddamento  (l’unica differenza è che in questo caso non stiamo parlando di una ventola ma di sistemi di raffreddamento estremi come l'elio liquido).
I quantum bit, le unità fondamentali dell’informatica quantistica, sono minuscoli, perciò le strutture di cui vediamo le immagini sono i collegamenti e i sistemi di raffreddamento. La realizzazione di un computer quantistico è, a tutti gli effetti, una sfida tecnologica enorme.

Cosa ci aspettiamo dal lavoro dei computer quantistici?

Ciò che ci aspettiamo da questi strumenti è che diano la possibilità di risolvere alcune classi di problemi in maniera più efficiente (dobbiamo ricordare che i problemi matematici vengono suddivisi in vere e proprie "classi di complessità", quindi caratterizzati in base a quanto sono difficili da risolvere per un computer tradizionale). Per farlo è necessario studiare un algoritmo, quindi una sequenza di operazioni logiche, che sia in grado di sfruttare appieno le potenzialità del computer quantistico. Col termine “efficienza” intendo dire che al crescere delle dimensioni del problema, il tempo necessario a risolverlo non deve crescere così tanto da renderlo impraticabile.
Spesso si dice che i computer quantistici saranno "molto più veloci" di quelli tradizionali. Questa affermazione non ha molto senso e non esiste una sfida in velocità tra computer quantistico e computer tradizionale ma, piuttosto, una competizione tra i migliori algoritmi che si possano utilizzare su quei computer per risolvere un dato problema di una certa classe di complessità. Il vantaggio di utilizzare un computer quantistico non sta nella “velocità” nel risolvere i problemi in generale, ma nel modo in cui questa velocità scala al crescere delle dimensioni dell’input dato.

Cosa si può fare e quali sono le possibili applicazioni dei computer quantistici?

Per prima cosa servirebbero a risolvere problemi che richiedono la simulazione di molecole complesse e le loro interazioni: sono implicate tante scienze, da quella dei materiali alla farmacologia per la creazione di farmaci, ad esempio. Poi risolverebbero i problemi di ottimizzazione, quelli in cui si cerca la soluzione ottimale per ottenere qualcosa. Un esempio è rappresentato dai problemi di logistica dei trasporti. I computer quantistici potrebbero aprire nuove prospettive a settori che necessitano di simulazioni complesse, dai modelli finanziari a quelli climatici.
Potenzialmente si aprirebbe la possibilità di usare algoritmi di calcolo che prima non potevano esserci: tutto dipende dall'astuzia con cui questi algoritmi saranno concepiti per sfruttare appieno le potenzialità del calcolo quantistico in relazione al problema da risolvere.