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Computer quantico: le cose da sapere

Cos’è, come funziona, a cosa serve e quali sono le obiezioni della comunità scientifica. Il super-computer realizzato da D-Wave alla lente d’ingrandimento

– Credits: D-Wave

Il nome, già di per sé, incute un certo timore. Il computer quantico - o quantistico - non sembra proprio quel genere di apparecchio che troverai al supermercato o nelle migliori catene di elettronica. Evoca piuttosto qualcosa di fantascientifico, degno solo delle migliori menti del Pianeta. E in effetti dando un’occhiata al curriculum di Geordie Rose, il papà del primo computer quantico mai uscito da un laboratorio, vien da pensare che sì, questa è in effetti materia da scienziati e cervelloni fuori dal comune.

Quarant’anni, canadese figlio di due docenti universitari dell’Ontario, Rose è un ex dottorando dell’Università della British Columbia folgorato sulla via di Damasco dalla lettura di Explorations in Quantum Computing, probabilmente il primo libro nel quale si teorizza il funzionamento di un computer quantico. Da quella rivelazione sono passati circa 15 anni. Rose è diventato nel frattempo il fondatore di D-Wave, la prima società ad aver annunciato un computer quantico, attirando su di sé le attenzioni di tutti principali colossi del Pianeta, Google e Amazon compresi.

Doveroso, arrivati a questo punto, provare a tirare le fila di un progetto che secondo Rose e i suoi proseliti cambierà il mondo dell’informatica (e non solo) ma che secondo i suoi detrattori resta solo una promessa, se non addirittura un bluff.

COS’È
Di fatto un computer quantico è un super-computer, ovvero un computer creato per risolvere elaborazioni complesse in tempi molto rapidi. Il suo funzionamento è però sostanzialmente differente da quello di un computer classico. Mentre quest’ultimo lavora su una sequenza di bit o cifre binarie (1 o 0), accendendo o spegnendo i chip all’interno dei transistor miliardi di volte al secondo, il computer quantico si basa sul qubit o quantum bit, un vettore che oltre ad ammettere i due stati classici della teoria binaria (l'uno e lo zero, appunto) può essere contemporaneamente l’uno e l’altro. Per chiarire il concetto, si potrebbe paragonare il bit classico a una moneta che, una volta lanciata, cadrà a terra mostrando inesorabilmente una delle due facce, mentre il qubit è una moneta un po’ particolare che, una volta lanciata, cadrà a terra continuando a ruotare su sé stessa senza arrestarsi; questo almeno fino a che qualcuno non la schiacci con una mano bloccandone la rotazione e obbligandola finalmente a mostrare una delle sue facce. Perché tutto ciò è importante? Perché grazie a questa “ambiguità” un qubit è in grado di contenere un numero di informazioni decisamente maggiore rispetto alla controparte tradizionale. Elaborando più problemi contemporaneamente.

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COME FUNZIONA
Per avere un’idea di come opera un computer quantico è bene ricorrere a un’altra metafora; paragonando un problema a un paesaggio montano, fatto di picchi e valli, nel quale l'altezza rappresenta l’energia, o il costo, della soluzione. Quando eseguiamo un’istruzione su un computer classico è come se lanciassimo un sasso verso un’area di questo tipo aspettando che si fermi nel punto più basso possibile: la soluzione appunto. Il problema di questo approccio - spiega però Clive Thompson  su Wired - è che gli algoritmi utilizzati dai computer tradizionali spesso non sono in grado di vedere oltre il picco della montagna, bloccandosi in una valle che non è realmente quella più bassa. Il computer quantico nasce proprio per superare questa limitazione. Sfruttando un principio denominato quantum annealing, un chip di qubit è come se scavasse un tunnel fra le montagne anziché scalarle, trovando prima e in modo più sicuro il punto più basso.

COME SI PRESENTA
Visto da fuori un computer quantico è un box nero grande quanto uno sgabuzzino con all’interno una griglia composta da centinaia di piccoli anelli di niobio (un metallo molto duttile) che fungono da processore per i qubits. Affinché tutto funzioni correttamente, un computer quantico deve mantenere una temperatura interna di una frazione di grado al di sopra dello zero assoluto (-273.15 gradi Celsius), praticamente 150 volte più freddo dello spazio interstellare. E deve operare in assenza di vibrazioni e di qualsiasi altro stato che possa influenzare lo stato quantico del processore. Per questo motivo, I primi esemplari di computer quantico realizzati da D-Wave sono raffreddati ad elio e dispongono di alcuni dischi in rame che provvedono alla disspazione del calore e alla schermatura dalle interferenze elettro magnetiche.

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A CHI PUÒ SERVIRE
Come detto in apertura, un computer quantico può essere utile per risolvere alcune particolari categorie di elaborazioni complesse. Lo sono, ad esempio, i cosiddetti “problemi di ottimizzazione”, calcoli pieni zeppi di vincoli che di norma si effettuano quando occorre trovare la soluzione migliore fra una serie molto articolata di alternative: il percorso più breve fra una serie di destinazioni disponibili, ad esempio, o il posto più indicato per effettuare una trivellazione, un algoritmo per effettuare valutazioni su svariate operazioni di trading in tempo reale. Non è un caso che i primi veri clienti di D-Wave si chiamino Nasa, Google e Lockeed Martin, realtà che ogni giorno si ritrovano a confrontarsi con problemi di questo tipo. Google per esempio, starebbe testando utilizzando un modello quantico per affinare un sistema di riconoscimento che permetta ai Google Glass di comprendere quando chi li indossa strizza l’occhio di proposito per scattare una foto in automatico.

QUANTO COSTA
Allo stato attuale, un computer quantico costa circa 10 milioni di dollari, centesimo più, centesimo meno. Ma il mercato è praticamente inesistente. Esiste un solo produttore - D-Wave - e pochi facoltosi acquirenti disposti a rischiare investimenti nell’ordine del milione di dollari nella speranza di trovare soluzioni a problematiche così complesse che un computer tradizionale non sarebbe mai in grado di svolgere. Nemmeno in centinaia di anni.

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PERCHÈ LA SCIENZA RIMANE SCETTICA
Se le teorie sui computer quantici sono largamente condivise, i risultati raggiunti dai primi supercomputer prodotti da D-Wave non convincono tutti. Lo scorso anno, Matthias Troyer, docente dell’Università ETH di Zurigo, ha condotto uno studio per valutare le velocità del computer Quantico installato da D-Wave presso Lockeed Martin a confronto con quella offerta da normali PC desktop. Con risultati che sembrerebbero smontare in buona parte le convinzioni di Geordie Rose e di tutti i fan del progetto D-Wave: a parte un piccolo sottoinsieme di problemi, il computer quantico ha infatti mostrato prestazioni paragonabili a quelle di un comune computer Intel. Un’altra ricerca pubblicata dal professore Umesh Vazirani dell’Università di Berkeley in California, giunge alla conclusione che il comportamento all’interno dei black-box di D-Wave può essere in realtà descritto da un modello computazionale classico e non propriamente quantico. Come dire che siamo ancora nel campo delle promesse se non delle illusioni.

Geordie Rose ovviamente getta acqua sul fuoco. E spiega che questi test sono stati condotti su problemi di basso livello complessità, laddove il computer quantico non è in grado di fare la differenza. Il dibattito, insomma, è più aperto che mai. L'impressione è che soltanto l’utilizzo diffuso della tecnologia (se mai ce ne sarà uno) ci dirà quanto vale effettivamente il progetto.

 
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