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Trascrizione

Per la maggior parte della nostra storia, la tecnologia umana è consistita in: il nostro cervello, fuoco e bastoni appuntiti.

Mentre fuoco e bastoni appuntiti sono diventati centrali elettriche e armi nucleari

il miglioramento più grande è avvenuto nei nostri cervelli.

Dal 1960 il potere delle nostre macchine computazionali ha continuato a crescere esponenzialmente

permettendo ai nostri computer di diventare più piccoli e più potenti allo stesso tempo.

Ma questo processo (di rimpicciolimento) ha quasi raggiunto il suo limite fisico.

I componenti dei computer si stanno avvicinando alla dimensione del singolo atomo.

Per capire come mai questo è un problema dobbiamo prima chiarire le basi.

[traduzione Pietro Pasquero]

Un computer è fatto da componenti molto semplici che fanno cose molto semplici,

rappresentando dati, elaborandoli e controllano meccanismi.

I chip contengono moduli, che contengono porte logiche, che contengono transistor.

Un transistor è la forma più semplice dell’elaborazione dati nei computer,

fondamentalmente è un interruttore che può chiudere o aprire la strada all’informazione che sta passando.

Questa informazione è fatta da “bit” che possono avere i valori ‘0’ o ‘1’.

Combinazioni di più bit sono utili a rappresentare informazioni più complesse.

I transistor sono combinati per creare porte logiche, che fanno ancora elaborazioni molto semplici,

per esempio una porta di tipo AND restituisce un output ‘1’ solo se entrambi i sui ingressi valgono ‘1’ altrimenti da un output di ‘0’.

Combinazioni di porte logiche infine formano le basi per i moduli che possono sommare due numeri.

Una volta che si può sommare si può moltiplicare, e una volta che si può moltiplicare si può praticamente fare tutto…

poiché ogni operazione base è letteralmente più semplice della matematica di seconda elementare,

puoi immaginarti un computer come un gruppo di bambini di 7 anni che risponde prontamente a basilari calcoli matematici,

un gruppo sufficientemente grande di bambini può calcolare qualunque cosa, da quesiti di astrofisica a Zelda.

Ad ogni modo, con queste parti che diventano sempre più piccole la fisica quantistica sta complicando le cose.

In breve, un transistor non è altro che un interruttore elettronico; l’elettricità è composta da elettroni che si muovono da un posto ad un altro

quindi un interruttore è un passaggio (obbligato) che può bloccare gli elettroni nel loro avanzamento.

Ad oggi una tipica scala per un transistor è 14 nanometri,

che è circa 8 volte meno del diametro del virus dell’HIV

e 500 volte più piccolo di un globulo rosso.

Dato che i transistor si stanno riducendo alle dimensioni di pochi atomi

gli elettroni si posso trasferire da un lato all’altro della barriera (dell’interruttore) grazie ad un fenomeno chiamato tunnel quantistico.

Nell’ambito quantistico la fisica si comporta in maniera diversa rispetto alla maniera predicibile a cui siamo abituati

e i computer tradizionali smettono di avere senso.

Stiamo approcciando una reale barriera fisica per il nostro progresso tecnologico.

Per risolvere questo problema gli scienziati stanno provando ad usare questo comportamento inusuale a loro vantaggio,

costruendo computer quantistici.

Nei computer normali i “bit” sono le più piccole unità dell’informazione,

i computer quantistici usano i “q-bit” che possono, anche loro, essere settati in uno dei due valori.

Un “q-bit” può essere un qualunque sistema a due livelli, come per esempio lo spin quantistico e il campo magnetico o un fotone.

‘0’ e ‘1’ sono dei possibili stati del sistema come le polarizzazione, orizzontale o verticale, del fotone.

Nel mondo quantistico non è necessario che il “q-bit” sia solo in uno di questi stati

può valere una qualunque proporzione dei due stati fondamentali.

Questa è chiamata sovrapposizione (quantica).

Ma non appena andiamo a osservare il suo valore,

diciamo facendo passare il fotone dentro un filtro,

dovrà decidere se essere polarizzato orizzontalmente o verticalmente.

Quindi fin quando non viene effettuata l’osservazione il “q-bit” è in una stato di sovrapposizione

di probabilità che sia ‘0’ o ‘1’ e non puoi predire in quale stato sarà

ma nell’istante in cui lo si misura, collassa in uno dei due stati fondamentali.

La sovrapposizione quantistica segna una svolta.

Quattro bit possono valere solo una delle 2^4 possibili configurazioni alla volta,

ci sono sedici possibili combinazioni e tu puoi usarne solo una alla volta.

I “q-bit” in sovrapposizione però possono valere tutte le 16 combinazioni nello stesso momento.

Questi numeri crescono esponenzialmente con ogni “q-bit” aggiunto,

venti di questi possono immagazzinare un milione di valori in parallelo.

Una proprietà davvero strana e non intuitiva dei “q-bit” è l’entanglement (quantistico)

una stretta relazione che fa si che entrambi i “q-bit” reagiscano ad un cambiamento (ricaduto in uno degli stati fondamentali) “istantaneamente”,

non importa quale sia la distanza che li divide.

Questo significa che misurando uno solo dei due “q-bit” connessi (in entaglement) puoi direttamente dedurre lo stato del partner, senza osservarlo.

Il trattamento del “q-bit” è anch’esso un rompicapo.

Una normale porta logica prende un semplice set di input e produce un definito output.

Un porta logica quantistica manipola un input di sovrapposizioni ruotando le probabilità producendo un altro stato di sovrapposizione in output.

Quindi un computer quantistico prende qualche “q-bit” applica porte logiche quantistiche per creare dei partner connessi in entaglement e manipolare le loro probabilità

e infine misura gli output facendo collassare le sovrapposizioni in definite sequenze di ‘0’ e ‘1’.

Questo significa che avremo l’intero set di calcoli che sono possibili con il nostro set-up tutti fatti nello stesso tempo.

Infine possiamo misurare un solo risultato che probabilmente sarà quello che vogliamo

quindi probabilmente dovremo fare più controlli e provare di nuovo

Ma dividendo intelligentemente le sovrapposizioni e gli entaglement

questo calcolo può essere esponenzialmente più efficiente di quanto potrà mai essere su un computer normale.

Quindi mentre i computer quantistici probabilmente non rimpiazzeranno i nostri personal computer,

in altre aree loro sono largamente superiori.

Una di queste è la ricerca nei database,

per cercare qualcosa in un database un computer normale potrebbe dover testare ogni singola voce.

Un algoritmo quantistico impiega solamente la radice quadrata di quel tempo, che per un grande database è un enorme differenza.

Il più famoso utilizzo dell’elaborazione quantistica è infrangere l’IT security

Proprio ora la tua navigazione, le email e i tuoi dati bancari sono sicuri grazie ad un sistema di criptazione

che consiste nel dare a tutti una chiave pubblica con cui criptare i messaggi che solo tu, tramite la tua chiave privata, puoi decriptare.

Il problema è che questa chiave pubblica può essere utilizzata per risalire alla tua chiave privata

fortunatamente fare i calcoli necessari in un normale PC impiegherebbe letteralmente anni di tentativi ed errori

ma un computer quantistico con un boost esponenziale potrebbe riuscirci in attimo.

Un altro eccitante utilizzo sarebbe nelle simulazioni.

Le simulazioni del mondo quantistico sono davvero pesanti o anche le simulazioni di grandi strutture, come le molecole, spesso perdono in accuratezza.

Quindi perché non simulare la fisica quantistica direttamente con la fisica quantistica?

Il calcolo quantistica può fornire nuovi approfondimenti sull’elaborazione di proteine che potrebbero rivoluzionare la medicina.

Ad oggi non sappiamo se i computer quantistici saranno solo uno strumento specifico o una grande rivoluzione per l’umanità,

non abbiamo idea di dove siano i limiti di questa tecnologia e c’è solo un modo di scoprirlo.

Questo video è supportato dal’ “Australian Academy of Science” che promuove e supporta l’eccellenza scientifica.

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Revisione:Francesco Paterna