C’è un legame molto forte tra il computer quantico – la macchina fondamentale per il futuro della tecnologia, e non solo – e la fisica quantistica, la teoria nata agli inizi del Novecento per descrivere il comportamento della materia e dell’energia a livello microscopico. Il quantum computing è un modo di elaborare informazioni che si basa a tutti gli effetti sulle leggi della teoria dei quanti.
Il rapporto tra i computer quantistici e la fisica quantistica è fondamentale e diretto. A partire dall’unità base dell’informazione, il famoso qubit: a differenza dei bit dei computer tradizionali che possono assumere soltanto i valori di 0 oppure 1, il quantum bit è una sovrapposizione di stati diversi che può essere 0 e 1 contemporaneamente grazie al principio di sovrapposizione, il primo postulato della meccanica quantistica. Quello del gatto di Schrödinger, per intenderci.
In questo articolo:
- Il legame tra computer quantico e fisica quantistica
- Il principio di sovrapposizione
- L’entanglement, ovvero la correlazione invisibile
- L’interferenza quantistica
- Il collasso della funzione d’onda
Il legame tra computer quantico e fisica quantistica
Il quantum computing è un’applicazione pratica e ingegnerizzata dei principi della fisica quantistica. Grazie ai concetti chiave della teoria dei quanti e alle caratteristiche tecnologiche di sistemi informatici del genere, i computer quantistici possono affrontare e risolvere problemi complessi caratterizzati da moltissime variabili. È per questo motivo che interessano l’industria e la finanza, le telecomunicazioni e la mobilità, la medicina e l’energia, la sicurezza e la difesa.
Considerata la più minuziosa descrizione della realtà, la fisica quantistica fornisce il quadro teorico e le leggi ai calcolatori del futuro, costruiti per utilizzare, sfruttare e controllare le proprietà quantistiche della materia ed effettuare operazioni su gigantesche quantità di dati. Senza la meccanica alla sua base, il quantum computing non esisterebbe. Le proprietà fondamentali che costruiscono questo legame sono quattro e vanno dal principio di sovrapposizione al collasso della funzione d’onda.
Il principio di sovrapposizione
Definita in inglese superposition, la superposizione è il primo postulato della meccanica quantistica: una particella può esistere in più stati contemporaneamente finché non viene misurata. Per far capire come un componente minuscolo come un elettrone sia capace di assumere due o più stati allo stesso tempo, i fisici citano spesso l’esempio della moneta lanciata per aria: mentre gira e fino a quando non cade a terra, non è né testa né croce, ma entrambe le facce.
Nel quantum computing, il principio della sovrapposizione è proprio del qubit: l’unità base dell’informazione può esistere come 0, come 1 oppure come una combinazione di entrambi gli stati. Questa proprietà, definita anche parallelizzazione di calcolo intrinseca, permette ad un computer quantistico di eseguire molte operazioni simultaneamente, moltiplicando in modo esponenziale le capacità rispetto a un computer tradizionale nel quale ogni informazione è rappresentata da un unico bit.
L’entanglement, ovvero la correlazione invisibile
Il principio indispensabile alla base della fisica quantistica e quindi del computer quantico è il cosiddetto entanglement, parola che in inglese significa groviglio e intreccio, ma anche coinvolgimento e connessione. Per la teoria dei quanti, due particelle possono diventare intrecciate e costituire sottosistemi di un sistema più ampio. Non solo: legate tra di loro e in comunicazione continua, lo stato di una determina istantaneamente quello dell’altra, anche ad anni luce di distanza.
Cambiando lo stato di una particella entanglata, anche l’altra si modifica all’istante. Nei computer quantistici accade lo stesso con i qubit, l’unità base: i quantum bit possono essere entanglati e il loro fortissimo legame consente di costruire algoritmi molto più efficaci di quelli classici e procedere con operazioni logiche particolarmente potenti e complesse. Senza questa correlazione, un computer tradizionale richiederebbe una quantità enorme di memoria per una procedura semplice.
L’interferenza quantistica
Oltre che in quanto tali, le particelle di tipo diverso come fotoni ed elettroni si comportano anche come onde. Questa interazione ondulatoria, legata al fenomeno dell’entanglement, diminuisce o amplifica l’azione di altre particelle. L’interferenza è quindi costruttiva o distruttiva: nel primo caso, le onde si sommano rinforzandosi; nel secondo, si azzerano annullandosi. L’esempio classico è quello delle scie di due barche che si incrociano in un lago.
Il computer quantico sfrutta il fenomeno dell’interferenza e dell’interazione negli stati di sovrapposizione per cancellare i vicoli ciechi. Le operazioni sono progettate in modo che i percorsi computazionali che portano alla risposta sbagliata interferiscano distruttivamente e si annullino. Viceversa, i procedimenti che conducono alla risposta giusta interferiscono costruttivamente e vengono amplificati: l’interferenza costruttiva elimina il dato inquinato e filtra esclusivamente il risultato corretto.
Il collasso della funzione d’onda
Concetto centrale della meccanica quantistica, il wave function collapse è il processo attraverso il quale un sistema passa da una sovrapposizione di stati possibili a un singolo stato definito quando viene effettuata una misurazione. Il termine collasso fa riferimento proprio a questo: quando si misura un sistema in sovrapposizione, questo cede in uno degli stati possibili in maniera probabilistica. È un cambiamento drastico rispetto alla fisica classica, dove il risultato di un esperimento è prevedibile con precisione conoscendo tutte le condizioni iniziali.
Il collasso della funzione d’onda gioca un ruolo importante per l’entanglement e per il quantum computing. Alla fine del calcolo, infatti, si misura lo stato dei qubit: la sovrapposizione collassa in una stringa classica di 0 e 1 che segna il passaggio irreversibile a un singolo stato definito. Quel risultato della misura rappresenta con estrema probabilità la risposta corretta al problema. Naturalmente la sfida principale in una tecnologia ancora in evoluzione è mantenere l’isolamento perfetto e fornire un esito univoco.
Il principale problema dei computer quantici di oggi è l’instabilità dei risultati. Si prevede che per avere delle macchine davvero fault-tolerant (ovvero capaci di continuare a operare correttamente senza interruzioni anche in presenza di guasti) bisognerà aspettare almeno il 2029. Per ottenere qubit precisi al 100%, bisogna operare in un contesto immune ai disturbi ambientali esterni: è quello che stanno già cercando di fare i sistemi informatici più evoluti al mondo e al Politecnico di Torino, dove dal 2025 è acceso Lagrange, il primo computer quantistico Iqm in Italia. La sua Qpu (l’unità di elaborazione quantistica) lavora a 18 millikelvin, pari a -273,13 gradi Celsius: una temperatura prossima allo zero assoluto.
