Computer quantistico: principi, applicazioni e sfide della nuova rivoluzione tecnologica presentata al Salone del libro di Torino

Quale è questa visione?

È una visione in cui invece di considerare tre grandi misteri che nel libro chiamo gli arcani e che sono la sovrapposizione, cioè il gatto di Schrödinger; il collasso, quello che succede quando misuriamo un sistema quantistico facendogli cambiare stato e l’entanglement, che è quello che viene indicato nei social come il segreto dell’amore - un legame, anzi una correlazione tra particelle, tipicamente coppie di particelle, che sono spazialmente molto lontane ma che hanno interagito in passato. È un legame molto fragile e che non permette di inviare messaggi tra le due particelle, però, sinteticamente, possiamo dire che lo stato di una delle due particelle risente delle azioni che vengono effettuate sull’altra, delle misurazioni tipicamente. Questo è quel che si intende con non località. Io credo, non solo io, c’è un filone di interpretazione su questo, che concentrandosi sulla non località, che è legata all’tipicamente si possa avere una visione molto più chiara dell’interpretazione della teoria.

Alla non località Einstein non credeva, giusto?

Ancora peggio, alla non località nessuno ci credeva. Einstein è l’unico che nel 1935 fa vedere che se la meccanica quantistica fosse una teoria completa allora la realtà sarebbe non locale. Dice: siccome la realtà è locale la meccanica quantistica deve essere incompleta, e sostanzialmente questo sua ragionamento non trova una risposta. Bohr gli risponde, ma questa è confusa, incomprensibile.

Invece poi si scopre...

Invece poi si scopre che il modello che Einstein aveva fatto per mostrare un’assurdità fotografa una realtà che si rivela essere non locale.

Questa idea della non località ora è stata capita bene? Ci sono applicazioni che vi si basano, però questo lo si fa avendola capita o invece sfruttando le proprietà di quel che si è capito esistere ma non si sa come?

Direi più la seconda opzione: la si usa. Il computer quantistico il teletrasporto, tutte le applicazioni si basano sull’entanglment, quindi sulla non località, ma quale sia la sua descrizione corretta non è chiaro, ci sono diverse proposte e non c’è accordo nella comunità scientifica.

Ma come funziona il computer quantistico?

Il computer classico, ossia quello che abbiamo in casa, funziona sulla base del cosiddetto bit che è l’elemento fondamentale per il calcolo. Il bit è un oggetto fisico che ha 2 stati possibili, che chiamiamo 0 e 1. Tipicamente, un circuito microscopico che può essere aperto (0) oppure chiuso (1). Nel computer quantistico invece del bit c’è un oggetto che si chiama qubit. Come il bit, ha 2 stati possibili, che sono 0 e 1, ma conformemente agli assiomi della meccanica quantistica può avere anche stati intermedi tra lo 0 e l’1, ossia stati che sono un po’ 0 un po’ 1 come il famoso gatto di shrödinger, che possiede degli stati intermedi tra l’essere vivo e l’esser morto. Inoltre, possiede stati in cui lo 0 è molto più presente dell’1, oppure stati in cui l’1 è molto più presente dello 0: un’infinità di stati intermedi. La cosa però limitante è che quando il computer quantistico viene osservato, ogni qubit restituisce o 0 oppure 1, cioè si perde la ricchezza degli stati intermedi. Si potrebbe quindi pensare che questa disponibilità di infiniti stati intermedi non abbia conseguenze sul funzionamento del computer, invece è stato dimostrato con questa scienza che si chiama informazione quantistica, che grazie alla disponibilità di questi stati intermedi e anche all’entanglement, ossia alla non località, che il computer quantistico, in certi particolari problemi , può essere più veloce di quello classico. Ora, la domanda che ci si può fare, è: fisicamente, cioè a livello di hardware, che cosa sono questi qubit? Ecco, negli ultimi decenni sono state sviluppate tante tecnologie che possono fornire i qubit per i computer quantistici. Per esempio, le trappole ioniche, i circuiti superconduttori o i quantum dot. E ci sono ancora tante altre proposte. alcune sono robuste nel senso che resistono alle interazioni con l’ambiente che distruggono l’entanglement, altre invece sono scalabili, ossia danno la possibilità di avere sistemi con molti qubit. Su questo punto la ricerca è estremamente attiva. Infine, proprio perché l’entanglement è molto fragile, per effettuare i calcoli quantistici va preservato. A questo scopo bisogna mantenere il computer quantistico a temperature molto basse, che garantiscono la conservazione dell’entanglement. Ciononostante è possibile che durante il calcolo ci siano degli errori. A questa possibilità risponde un filone ricchissimo di ricerca che si chiama quantum error correction.

Ma perché perché i qbit permettono una potenza di calcolo infinitamente maggiore rispetto ai bit?

Non è immediato descrivere perché il computer quantistico è più veloce di quello classico. Innanzitutto questa accelerazione è reale solo per alcuni problemi specifici, non è universale. Uno di questi problemi è la già citata fattorizzazione dei numeri grandi. Un altro è la ricerca di un oggetto in un insieme senza struttura, il cosiddetto “ago nel pagliaio”. Il miglior algoritmo non quantistico consiste nel procedere per “forza bruta”, ossia esaminare i fili di paglia uno ad uno finché non si trova l’ago. Con la meccanica quantistica è invece possibile mettere tutti gli aghi “in sovrapposizione”, ossia considerarli tutti insieme. Come però un qubit, una volta osservato, restituisce zero oppure uno, così se osserviamo la sovrapposizione degli elementi del pagliaio troveremo un filo di paglia oppure l’ago, e il filo di paglia è molto più probabile dell’ago, perché ci sono tanti fili di paglia e un solo ago. È qui che siamo nel cuore della meccanica quantistica. Per risolvere questo problema esistono delle operazioni da effettuare, da iterare, che a ogni passo aumentano la probabilità di trovare l’ago. Dopo un ben determinato numero di passi, diventa molto più probabile trovare l’ago che un filo di paglia. A quel punto si effettua l’osservazione. Si dice che si prepara un “soufflé quantistico ”: lo stato del computer “si gonfia” attorno all’ago e bisogna tirarlo fuori al momento giusto. E il momento giusto è dopo un numero di passi che è uguale alla radice quadrata del numero di passi necessario procedendo per forza bruta: ecco perché il calcolo quantistico è piú veloce. In questo processo, come spiego nel dettaglio nel libro, hanno un ruolo cruciale i tre “arcani” della teoria: sovrapposizione, entanglement e collasso.

Avere scoperto la non località è una rivoluzione metafisica?

Il dibattito sulla struttura dello spazio è un dibattito prima di tutto filosofico che da sempre c’è nella riflessione filosofica. Con il lavoro di Einstein, quello successivo di John Stewart Bell, e gli esperimenti di John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger (che hanno preso il Nobel nel 2022) e altri, questa proprietà qualitativa dello spazio dviene provata sperimentalmente, e per questa ricerca il filosofo Abner Shimony ha coniato il termine di metafisica sperimentale.

Cosa è?

È soprattuto uno slogan che è stato coniato da Shimony, il senso è che si tratta di un’affermazione, di un problema che è passato dal campo filosofico a quello scientifico sperimentale, questo non significa che la scienza sta rosicchiando terreno alle filosofia, perché molti filosofi stano lavorando sul concetto di non località come emerge dalla scienza, direi anzi che apre un’interazione tra questi due campi che negli ultimi anni si sono parlati un po’ poco.

La macchina che avete al Politecnico di Torino è ancora una macchina sperimentale?

Sì, nel senso che è una macchina piccola, ha solo 5 qbit, quello di Napoli ne ha 24, il nostro ha un forte ruolo didattico, su quello di Napoli è già una macchina su cui si possono lanciare algoritmi significativi. Però queste macchine funzionano: la teoria del computer quantistico basata sulla non località viene verificata anche da piccoli laboratori.

Ho sentito dire che il computer quantistico potrebbe avere applicazioni commerciali già nel 2028, è vero?

Mi piace essere cauto e pensare che il computer quantistico diventerà importante strumento di ricerca nello studio dei sistemi quantistici stessi, poi nello studio, unito all’intelligenza artificiale, di nuove molecole da sintetizzare per esempio per assorbire l’anidride carbonica nell’atmosfera e limitare il riscaldamento climatico, ci sono progetti di questo tipo, o addirittura rivelare frodi finanziarie.

Qui abbiamo parlato di ricerche universitarie, cosa succede quando il computer quantistico viene utilizzato dai privati o dai governi?

Sono i privati che hanno investito di più nell’hardware, nella realizzazione: Google e Ibm, ma anche Microsoft e Amazon hanno i computer quantistici più potenti, o anche realtà più piccole che hanno investito solo quesllo. I privati avendo la possibilità di investire in modo rapido e su larga scala sono più avanti. Altre entità ad esempio militari potrebbero usare il computer quantistico per molti scopi, per esempio decrittare i messaggi dei nemici, che è proprio il campo in cui il computer quantistico dovrebbe mostrarci la sua forza.

Decrittare i messaggi dei nemici con una capacità impensabile prima non è una cosa da poco...

Infatti è stato proprio un agoritmo fatto da Peter Shor nel 1996 che ha alimentato l’interesse della comunità scientifica e non solo su queste applicazioni, perché in quel’algoritmo Shor mostra che il computer quantistico è molto più velcoe di quello classico a trovare i fattori primi di un numero grande,. Oggi buona parte della crittografia attuale è sicura proprio perché questo problema al momento non è attaccabile. E’ un problema che si usa per creare le chiavi crittografiche, e queste sono sicure se quello non si sa risolvere quel problema.

Quindi, se da un punto di vista geopolitico solo con l’Intelligenza artificiale già stiamo vedendo il mondo cambiare baricentro e polarizzarsi, cosa succederà con il computer quantistico?

Chi lavora in questo campo progetta un futuro di sinergia tra le due tecnologie, chiaramente chi arriva per primo assume un vantaggio strategico molto rilevante. La Cina sta investendo moltissimo in questo senso.