31/03/2010 – La mia percezine del mondo si basa su poche, concrete, certezze. La pioggia, per esempio, cade sempre verso terra e le rette patallele, quelle che si tracciano sui fogli di carta, non si intersecano mai fra loro. La realtà, però, può avere diverse sfaccettature: se supponi di trovarti su un pianeta nel quale la forza di gravità sia nulla, una qualsiasi goccia di pioggia rimarebbe sospesa in aria all’infinito. Anche le rette parallele, aumentando infinitamente le dimensioni del foglio, prima o poi si incontrerebbero. L’universo infatti, è di forma sferica. Potrebbe succedere qualcosa di analogo anche nel mondo dei computer? Potresti trovarti, in un prossimo futuro, a dover abbandonare le tue convinzioni di sempre? Sì, se le tecnologie attualmente in fase di studio consentiranno effettivamente la creazione di un PC quantistico.
Frontiera Del Computer: Concetti Basilari
Esiste una grande differenza tra ciò che possiamo scoprire tramite l’osservazione diretta di un qualsiasi evento naturale o artificiale e le leggi fisiche che ne prevedono l’esistenza o ne determinanola fattibilità. Quando accendiamo una lampadina, per esempio, creiamo una sorgente luminosa anche se non sappiamo con certezza cosa sia la luce e come questa si propaghi nella stanza. Fino ai primi anni del Novecento, la fisica classica forniva una serie di risposte “tranquilizzanti“: tutti gli elementi rientravano in una visione deterministica basata sul principio causa- effetto. In pratica, bastava conoscere i giusti dati e applicare le formule corrette per ottenere sempre risultati certi e prevedibili. Albert Einstein, fra i più grandi geni della storia, cominciò ad intaccare questo approccio semplicistico formulando prima la teoria della Relatività Ristretta e successivamente, nel 1916, quella della Relatività Generale. Fra le novità principali introdotte da Einstein con le sue intuizioni ci fu la definizione di uno spazio non Euclideo: uno spazio, cioè, che non ha comportamenti e caratteristiche identiche allo spazio nel quale tutti quotidianamente ci muoviamo e agiamo. Nello spazio Euclideo, rigidamente definito, le rette rimangono rigorosamente parallele per tutta la loro lunghezza, nello spazio non Euclideo, al contrario, le rette convergono all’infinito.
Uno Sopra l’altro
Anche se può sembrare difficile da accettare, lo spazio Euclideo e quello non Euclideo convivono assieme. Limitando la mia esperienza a quanto avviene attorno a noi, senza scendere nell’infinitamente piccolo e senza affacciarmi alle distanze interstellari, la fisica classica Euclidea, mantiene inalterata la propria validità. I problemi cominciano quando si trattano, come avviene per lo sviluppo dei computer di prossima generazione, distanze paragonabili a quelle atomiche, dell’ordine dei 10 miliardesimi di metro, o addirittura inferiori. In questo regno dell’infinitamente piccolo, le regole generali non valgono e deve essere introdotto un nuovo tipo di fisica, dalle caratteristiche a dir poco sconvolgenti: la Meccanica Quantistica. Padre di questa innovazione logica può essere considerato il fisico tedesco Max Planck, scomparso nel 1947, che per primo propose il concetto di quanto, ovvero un’unitàdiscreta e indivisibile che costituirebbe la base di qualsiasi elemento. Per capire quale rivoluzione segni lo sviluppo della meccanica quantistica basta pensare all’interpretazione che questa branca della fisica dà della luce. Secondo le teorie classiche, infatti la luce è un’onda elettromagnetica che si propaga nello spazio con un moto ondulatorio. Per la meccanica quantistica, invece, la radiazione luminosa è un fascio di particelle composto da quanti elementari chiamati fotoni. Una differenza non da poco!
Applicazioni Pratiche
Agli inzi degli anni ottanta del secolo scorso, dopo una serie di studi realizzati nel 1982, il Premio Nobel 1965 per la fisica Richard Phillips Feynman propose di applicare i principi della meccanica quantistica anche alla realizzazione degli elaboratori elettronici. Questo tipo di utilizzo, i cui sviluppi potrebbero cambiare radicalmente il nostro rapporto con i computer, prende il nome di informatica quantistica. Dal punto di vista della fisica classica, ogni processore di un qualsiasi computer può essere rappresentato come un immenso insieme di interuttori, i transistor, in grado di accendersi e spegnersi in miliardi di differenti combinazioni. L’accensione e lo spegnimento di ogni singolo transistor corrisponde all’attivazione degli stati “1” e “0” del sistema binario. Una coppia di possibili stati, quindi o “1” o “0”, è quello che comunemente prende il nome di bit, ovvero binary digit, Il bit corrisponde all’unità fondamentale di elaborazione e memorizzazione di ogni computer: maggiore è il numero di bit utilizzati dalla CPU per gestire i dati, maggiore risulta la capacità di calcolo del microprocessore ( vedi Articolo sui Sistemi operativi 32 o 64 bit ). Nell’informatica quantistica invece, i bit scompaiono e al loro posto vengono impiegati i qubit: ovvero i quantum bit o bit quantistici. La loro principale e sconvolgente, caratteristica è che non si tratta più di soggetti “fisici” in grado di assumere solo due stati contrapposti, bensì di elementi “logici” capaci di rappresentare una serie di differenti valori.
Il Qubit
La struttura del nostro pianeta può essere utilizzata per comprendere il funzionamento di un qubit. La terra, infatti, ha due poli geografici, il Polo Nord e il Polo Sud, e ogni punto sulla sua superficie può essere individuato univocamente tramite il relativo valore di latitudine e di longitudine. Analogamente un qubit ha sì due stati principali, lo stato “0” e lo stato “1” simili a quelli dei bit, ma poichè può essere rappresentato come un quanto, cioè come una particella con densità di probabilità sferica, possiede un’infinita serie di valori intermedi che prendono il nome di stati di sovrapposizione. Il qubit, inoltre, soddisfa i principi della meccanica quantistica e quindi è sottoposto alle regole della probabilità e non a quelle del determinismo. Per questo motivo la definizione del valore numerico dello stato nel quale si trova può essere realizzata solo dopo aver concretamente misurato lo stesso. Anche se può sembrare impossibile, in definitiva, mentre il bit rappresenta alternativamente uno dei due stati “0” o “1”, il qubit li rappresenta entrambi contemporaneamente. Allo stato attuale delle ricerche, la particella che maggiormente si presta a essere utilizzata come qubit all’interno degli elaboratori quantici è l’elettrone. Ogni elettrone infatti è dotato di una particolare caratteristica, chiamata spin, che ne identifica il senso di rotazione all’asse sud/nord. Se lo spin è di tipo up, cioè rivolto verso nord, il qubit vale 1; se lo spin è di tipo down, cioè rivolto verso sud, il qubit ha un valore di “0”. Qualsiasi altro orientamento della rotazione dello spin, infine, comporta la definizione di uno degli ulteriori e innumerevoli possibili stati di sovrapposizione.
Velocità Impensabili
Sostituendo ai bit i qubit, il primo risultato che ottengo è quello di aumentare a dismisura la capacità di calcolo del processore . Se un computer tradizionale equipaggia una cpu a 32 bit vuol dire che può rappresentare, di volta inn volta, un qualsiasi numero binario corrispondente, nel calcolo decimale, ai valori compresi fra “0”e “4.294.967.296”. Un computer quantistico, nello stesso intervallo di tempo, riesce invece a realizzare ben 4.294.967.296 operazioni distinte. Dal punto di vista pratico, quindi, un solo pc riesce a euguagliare le possibilità di elaborazione attualmente accessibili solo alle reti di supercomputer. Solo fantasie? Pare proprio di no: i primi prototipi di computer quantistici sono già una concreta realtà e l’azienda canadese D-Wave System ha presentato lo scorso febbraio 2009 Rainer, un processore a superconduttore capace di contenere ben 128 qubit. Certo, si tratta di macchine sperimentali dedicate alle prove in laboratorio o a utilizzi di ricerca, ma se lo sviluppo teclogico continuerà con questi ritmi è possibile ipotizzare che entro una decina di anni arriveranno su tutte le scrivanie i primi pc quantistici. Un appuntamento assolutamente imperdibile col futuro dell’informatica!
Sul sito di D-Wave System, https://www.dwavesys.com/ troverai informazioni sul primo processore quantistico a superconduttore con tecnologia a 128 bit. Il suo nome è Rainier e non è in vendita!
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