"Computer quantistico" è ormai un termine noto, ma cos'è?

Ma cosa sono questi computer? E come funzionano? È vero che sono veri super computer? Ed è vero che funzionano senza corrente?

Probabilmente possiamo continuare a esporre molte domande. Affrontiamo l'argomento con l'aspirazione di dare una spiegazione semplice che permetta a tutti di avere chiari i principi di questa tipologia di computer.

Panoramica

I computer quantistici sono un'avventura complessa.
Iniziamo questo viaggio dai fondamentali: le macchine per il calcolo. Da qui passiamo a capire i limiti dell'elettrone per approdare al principio dei nuovi computer: la quantistica.
Concludiamo con alcune considerazioni per capire se il computer quantistico è una promessa o una strada chiusa.
Buona lettura.

Macchine per Calcolo e Macchine programmabili

La storia dei computer è molto più lunga di quanto si pensi. Si tratta di un itinerario durato secoli.
Le origini remote sono nella strutturazione del pensiero, lo sviluppo della matematica, la formulazione della logica e la combinazione di questi elementi con la matematica di Boole.

Pascal crea la prima macchina per il calcolo: una calcolatrice meccanica, capofila delle macchine per il calcolo. Poco più di 2 secoli più tardi l'applicazione della corrente elettrica permette il primo salto nella tecnologia delle macchine per il calcolo: gli ingranaggi vengono sostituiti dai relè (dispositivi elettro-meccanici) permettendo una velocità di calcolo superiore, ma ancora afflitta da grandi limiti e, soprattutto, ancora da una lentezza considerevole.
Malgrado le promettenti capacità di queste macchine spingono gli scienziati a studiare soluzioni per renderle più veloci: la sfida è rappresentate dal mettere a punto macchine che calcolino il puntamento dell'antiaerea in tempo utile per colpire gli aerei.
Siamo nel 1946, negli USA: la Moore School of Electrical Engineering sostituisce i relè elettromeccanici con valvole termo ioniche: nasce ENIAC. I risultati sono strabilianti come riportano le cronache del tempo.
I risultati, però, si accompagnano e dimensioni e limiti ancora importanti:

• le dimensioni sono colossali (circa 180 metri quadrati, 30 Tonnellate di peso e 18.000 valvole);
• i consumi elettrici elettrici sono di circa 200 chilowatt;
• il tempo medio di funzionamento tra un guasto e l'altro è di circa 2 minuti all’inizio (si arriverà poi a 2 giorni);
• la potenza di calcolo è paragonabile ad una semplice calcolatrice moderna.

ENIAC, semplificando, era una calcolatrice, ma è il primo mattone dei computer digitali moderni.
L'avvento dei transistor a semiconduttore (inventato nel 1947) porteranno a realizzare macchine per il calcolo che usano questi componenti al posto delle valvole. I risultati sono ancora strabilianti: le dimensioni si riducono, i consumi elettrici si riducono ed il calore prodotto di riduce. Contemporaneamente si aprono le possibilità per aumentare ulteriormente la capacità di calcolo. L'adozione della registrazione magnetica, insieme alla creazione delle prime unità di memoria (unità bistabili) permettono di sfondare il limite delle macchine per il calcolo: nascono le macchine programmabili.
Per la prima volta, nella storia dell'umanità, gli ingegneri possono progettare macchine "general purpose". È il software che trasforma le macchine in calcolatrici, oppure in un sistema di controllo, oppure di codifica, ecc...
La progressiva standardizzazione e strutturazione di queste macchine da forma agli attuali computer basati su un sistema operativo, una CPU, RAM, hard disk, ecc...
In questo progredire un ruolo primario è ricoperto dalla miniaturizzazione dei componenti elettronici. Questo è possibile grazie all'uso dei semiconduttori in combinazione con le tecnologie foto-litografiche, ovvero i componenti elettronici vengono letteralmente incisi da un raggio laser su un pezzettino di silicio.# I limiti dell'elettrone
Le macchine programmabili (=computer) basate sull'energia elettrica e sulle tecnologie a semiconduttore hanno limiti intrinseci invalicabili.
Vediamo di capire quali sono questi limiti.

L'elettrone

Si tratta di un limite per le sue caratteristiche fisiche e per la tecnologia di rappresentazione dell'informazione che impieghiamo.
L'elettrone è una particella dotata di massa, il che significa:

• possiamo usarla solo nella sua caratteristica di presenza o assenza. Sono state fatte sperimentazioni in cui si sono usate le quantità discrete elettroniche (i volt in particolare attraverso gli amplificatori operazionali), ma i risultati non sono stati positivi;
• in quanto particella massiva produce importanti effetti secondari, come lo sviluppo di calore nei componenti. Si tratta di un effetto non eliminabile e comporta la necessità di smaltirlo;
• sempre per la sua natura massiva è necessaria una certa quantità di energia per manipolarlo. Quindi è una soluzione energivora;
• l'elettrone, nella sua forma di energia che usiamo (cioè la corrente elettrica), esiste solo nella forma istantanea; quindi dobbiamo produrla continuamente e non possiamo accumulare quella non usata;
• l'elettrone ha anche un'altra caratteristica spiacevole: nell'attraversare i conduttori (=i cavi elettrici) e i semiconduttori (=i componenti elettronici dei computer) subisce le "resistenze passive", ovvero una cerca quantità di energia viene mangiata dai materiali stessi. Questo significa che un bit fatto di elettroni, inviato su una linea di comunicazione troppo lunga, non arriverà perché viene mangiato, un po' alla volta, lungo il percorso.

L'atomo

Anche l'atomo presenta dei limiti da considerare:

• in primo luogo se immaginiamo l'elettrone come una pallina da tennis, abbiamo bisogno di un volume di atomi analogo all’ingombro di una casa per controllarlo-rilevarlo. L'analogia è approssimativa, ma non sbagliata. Questo significa che necessitiamo di montagne di materia e di importanti quantità di energia per manipolare gli elettroni;
• la ricerca e l'avanzamento hanno permesso di minimizzare il problema sopra esposto. Oggi la punta della tecnologia ci ha permesso di raggiungere il limite, cioè siamo giunti al livello atomico. Oltre a questo non possiamo ulteriormente miniaturizzare.

In sostanza abbiamo raggiunto il limite massimo, anche se non l'abbiamo ancora esplorato in tutta la sua lunghezza.
Se voglia avanzare ulteriormente dobbiamo impiegare tecnologie diverse e/o proprietà fisiche della materia diverse.

Bit

Anche il bit comporta dei limiti intrinseci e di rappresentazione:

• il bit come astrazione di due soli stati (=natura binaria) è una fantastica intuizione che si adatta molto bene alle potenzialità offerte dall'elettronica, ma è anche un limite. Ad esempio è poco utile nei calcolatori meccanici. Idem anche in diversi ambiti dei bisogni come nella generazione di numeri casuali;
• la rappresentazione del bit stesso patisce alcuni limiti. Teoricamente un bit è la presenza (o assenza) di un elettrone. In realtà noi, tramite l'elettronica, possiamo rilevare-manipolare una carica che è costituita da N elettroni. Le fisica, però, ci rivela che l'elettrone esiste anche in altri stati...

Principio di funzionamento

L'ultima considerazione del capitoletto precedente, viene dalla quantistica, ovvero da quella scienza della ricerca di base, che indaga l'universo sub-atomico e le meccaniche che lo governano.
Si tratta di un'indagine che ci ha restituito un universo molto diverso da quello che conosciamo e sperimentiamo. Diverso anche dalle leggi dell'elettronica che lavora a livello atomico.
Due caratteristiche sono rilevanti per questo viaggio:

• noi possiamo usare gli stati delle particelle per avere bit informativi invece delle particelle;
• la quantistica permette una matematica più potente di quella binaria.

Questo permette alcuni importanti benefici. In particolare:

• riduzione ulteriore delle dimensioni dei componenti;
• possiamo usare particelle senza massa (come i fotoni) così da far crollare i bisogni di energia per il funzionamento;
• la matematica quantistica permette il calcolo parallelo e permette di avere una vera randomizzazione;
• sfruttando le proprietà quantistiche non usiamo più i bit, ma i Qubit che hanno 3 valori possibili, mentre il bit ne ha 2.

Il risultato finito è che un calcolo che necessita di 10.000 anni di tempo con i computer tradizionali, con uno quantistico bastano 200 secondi di lavoro (esperimento Google del 24 ottobre 2019).

Insomma: i principi di funzionamento del computer quantistico sono due:

• usa gli stati quantistici delle particelle e non gli elettroni;
• usa Qubit al posto dei bit.

Promessa o Fallimento (programmato)?

Quanto scritto sopra fa pensare ad un super computer.
Effettivamente si parla di supremazia quantistica. Alcuni pensarono che è questione di tempo, di sviluppo e consolidamento delle tecnologie per rende disponibile a tutti questa famiglia di computer, come fu con i computer che usiamo oggi.

Ma... le cose non stanno così. Per qualche ingegnere, dopo l'euforia dei risultati positivi, c'è stato una sorta di dopo-sbornia con tanto di mal di testa. 
Infatti ci sono un po' di problemi che, dopo un attento studio, hanno rimesso in discussione la supremazia quantistica e la reale utilità di questi computer. Alcuni aspetti da risolvere non sembrano dipendere dallo stato di sviluppo della tecnologia, ma bensì a limiti intrinseci della quantistica stessa. Pertanto l'ottimismo della prima euforia è tornato ad un piano realistico.
Elenchiamo i problemi principali che limitano questi computer:

• temperature: per poter usare le caratteristiche quantistiche servono temperature molto basse, inferiori ai -200 gradi centigradi;
• tempi: gli stati quantistici, all'interno di questi computer, durano poco, tanto che possono non essere più usabili al momento del calcolo;
• interferenze: queste macchine sono estremamente sensibili e necessitano di luoghi molto protetti per funzionare correttamente;
• errori: i calcoli hanno un tasso di errore ancora molto alto;
• non risolvono problemi reali: i benefici prima elencati sono per calcoli che non hanno una ricaduta utile in un impiego generico.

L'ultimo limite credo risulti criptico. Significa che un computer quantistico è bravissimo a risolvere problemi matematici teorici, come le possibili collisioni crittografiche basate sui numeri primi, ma non è in grado di far funzionare nemmeno un aspirapolvere Rumba. In pratica: non serve a nulla.

Quindi possiamo chiederci: questi mitici computer esistono oppure no? È questione di tempo oppure non li avremo mai?

Dobbiamo rilevare che esistono. Ad esempio il "Quantum System One" dell'IBM presente, dal 2021, anche al Fraunhofer Institute di Monaco di Baviera. Ma si tratta di un'avanguardia, non certo di un caso d'uso diffuso.
Abbiamo diversi casi d'uso di una o più delle tecnologie dei computer quantistici. Ad esempio i sensori di saturazione del sangue si basano sulla rilevazione di un fenomeno quantistico. Idem i sensori che leggono la glicemia in tempo reale senza bisogno di campioni di sangue. La crittografia quantistica è un altro eccellente esempio di caso in uso.
Insomma va concluso che allo stato attuale abbiamo o macchine d'avanguardia, riservate ancora a poche realtà selezionate, o macchine che usano solamente una (o poche) caratteristiche quantistica.

Insomma: oggi non è ancora una tecnologia matura per un uso diffuso e utile.

E nel futuro? Bisogna prendere atto che lo scenario non è ancora definito. Da una parte dobbiamo risolvere alcuni problemi per poterli rende una tecnologia usabile un po' da tutti e un po' in tutte le condizioni (come, ad esempio, il problema dell'eccessiva sensibilità che non permette di metterli sul tavolo dell'ufficio, ma li relega in caveau speciali).
Dall'altra parte è sostanzialmente chiaro che non possono fare tutti i calcoli (=i lavori) che fanno i computer normali.

Pertanto sembra realistico lo scenario in cui potremmo avere questi super computer in futuro anche sulla scrivania, ma non potremmo né usarli per scrivere, né per leggere l'email, né per giocare.

Citando liberamente Scott Aaronson (Opinion | Why Google’s Quantum Supremacy Milestone Matters, in The New York Times, 30 ottobre 2019, ISSN 0362-4331): per avere il computer quantistico serve ancora un'immensa ingegneria, e probabilmente anche ulteriori intuizioni.