“Fino a qualche anno fa, nella comunità dei fisici si vedevano sorrisetti quando si parlava di calcolatori quantistici. Oggi non sorride più nessuno ed è in rapida crescita il numero di persone che si sta avvicinando al problema”. E un prezioso tassello al mosaico ancora tutto da costruire del computer quantistico l’ha aggiunto in tempi recenti proprio l’autore del sardonico commento, Giulio Casati, docente di fisica all’Università dell’Insubria di Como nonché uno dei massimi esperti internazionali nel settore. Insieme ad alcuni collaboratori, il fisico lombardo ha infatti messo a punto un algoritmo quantistico che, per la prima volta, risolve un problema di meccanica quantistica molto più velocemente di qualunque algoritmo classico. Ora, come lo stesso Casati ha annunciato nelle scorse settimane in alcuni convegni nazionali ed esteri, il nuovo algoritmo è in fase di implementazione al Massachusetts Institute of Technology (Mit) di Boston, negli Stati Uniti.L’idea di realizzare un calcolatore quantistico nacque verso gli inizi degli anni Ottanta, quando fu chiaro che i rapidi progressi della microelettronica e la corsa alla miniaturizzazione avrebbero prima o poi portato la tecnologia dei circuiti integrati ai propri limiti fisici. Basti pensare che le dimensioni dei chip di silicio, i dispositivi che immagazzinano le informazioni di un computer, sono passate dai centimetri delle valvole utilizzate nei primi elaboratori ai millesimi di millimetro delle macchine più moderne. Un processo, questo, che se da una parte ha incrementato enormemente la velocità dei calcolatori, dall’altra rende necessarie componenti così piccole da contenere solo pochi atomi. E a quel punto entra in gioco la meccanica quantistica, le cui leggi regnano sovrane sulla materia a livello microscopico. A differenza di quanto avviene in un calcolatore classico – dove i dati vengono immagazzinati ed elaborati tramite unità elementari di informazione, i bit, che possono stare solo in due stati fisici diversi, indicati con 0 e 1 – “il computer quantistico”, spiega Casati, “è essenzialmente un sistema di qubit, cioè di particelle quantistiche interagenti”. Molto più efficienti dei bit tradizionali. “Con le unità classiche possiamo rappresentare un solo numero per volta: con due bit possiamo codificare uno dei quattro numeri tra 0 e 3, con tre bit un numero tra 0 e 7 e via dicendo. La meccanica quantistica permetterebbe invece di rappresentare tutti i numeri contemporaneamente”, spiega il ricercatore. Così, per esempio, con tre qubit si possono immagazzinare tutti i numeri da 0 a 7, e con 1000 qubit qualcosa come 2 elevato alla 1000 numeri: una cifra molto maggiore di tutte le particelle esistenti nell’Universo. Con i qubit, dunque, si potrebbe eseguire un numero impressionante di operazioni nello stesso istante, il che è inimmaginabile per un qualsiasi calcolatore classico.Per giungere a un tale prodigio tecnologico, le questioni da affrontare sono di duplice natura. “Da un lato”, sottolinea Casati, “è necessario costruire fisicamente i calcolatori quantistici. Dall’altro, occorre inventare degli algoritmi che sfruttino le potenzialità enormi del computer quantistico. L’obiettivo è di arrivare ad algoritmi quantistici che siano molto più efficienti di quelli classici”. Di fatto, alcuni studiosi, tra i quali Peter Shor, Lov Grover e Alexander Kitaev, hanno già creato in anni recenti algoritmi quantistici molto potenti, capaci di risolvere velocemente vari problemi matematici. E quello di Casati, che è stato pubblicato anche su Physical Review Letters, costituisce un ulteriore, importante salto di qualità, potendosi applicare direttamente a un problema di fisica quantistica. Fondato su un procedimento di calcolo noto come trasformata di Fourier quantistica, l’algoritmo è infatti in grado di simulare e risolvere rapidamente la dinamica di un certo tipo di interazioni tra particelle subatomiche. “Anche se semplice”, precisa Casati, “il modello teorico che abbiamo usato descrive proprietà tipiche dei sistemi quantistici più generali”.Ora, il nuovo algoritmo è sbarcato oltreoceano. “Al Mit di Boston”, ci dice Casati, “cercano di usare la nostra procedura per risolvere il problema, che noi abbiamo trattato sulla carta, con un calcolatore quantistico vero, fatto di sei qubit”. A tale scopo, i ricercatori statunitensi stanno utilizzando tecniche di risonanza magnetica nucleare con molecole di azoto, fosforo e fluoro, dove i qubit sono dati dalla rotazione propria dei nuclei. “La principale difficoltà da superare è quella legata alla perdita della cosiddetta coerenza quantistica. Per funzionare, un computer quantistico deve rimanere isolato: quando viene a contatto con l’ambiente esterno infatti perde le sue qualità quantistiche. Quindi, anche se la strada è ancora lunga, non ci sono difficoltà di principio”, conclude Casati.
