computer_quantistico_fotoni

I computer quantistici sono un po’ come la fusione nucleare: se ne parla da decenni, si sostiene continuamente che saranno presto disponibili, si leggono dappertutto articoli ottimistici riguardo scoperte che ci porterebbero “un po’ più vicini” al traguardo, ma poi continuiamo a non avere nulla di concreto tra le mani. Alcuni cominciano a credere che un vero computer quantistico sia ancora ben al di là delle nostre conoscenze scientifiche e tecnologiche, e che sia più opportuno concentrarsi su risultati intermedi che permettano comunque di raggiungere alcuni dei risultati promessi dalla computazione quantistica: risolvere problemi impossibili per i nostri computer classici, anche per i supercomputer più potenti del mondo. Con il boson sampling, o “campionamento del bosone”, è possibile realizzare un surrogato di computer quantistico che sfrutta gli ultimi risultati della fotonica evitando i principali problemi finora irrisolti, come quello della decoerenza. I primi prototipi sono stati realizzati da quatto team internazionali di cui uno a guida italiana, i cui risultati sono stati pubblicati su Science e sul database arXiv.

Bosoni al posto dei qubit – Esistono infatti alcuni problemi che, per essere risolti, richiederebbero un tempo enorme, quasi infinito, pur essendo apparentemente semplici: un essere umano ha bisogno, per trovare la soluzione, di effettuare calcoli che possono anche essere elementari ma che non sono riassumibili in un unico algoritmo e quindi vanno svolti uno per uno. Un computer semplifica di molto il lavoro, svolgendo un numero incredibile di calcoli al secondo. Ma ha comunque bisogno di un tempo quasi infinito. Un computer quantistico ha però un vantaggio: un qubit, l’analogo quantistico del bit, può assumere un numero infinito di stati diversi sovrapposti ed effettuare così in uno stesso istante un numero infinito di calcoli, a differenza dei bit che sono limitati a due soli stati alternativi, 0 e 1. I computer a campionamento bosonico non sfruttano i qubit, ma i più banali fotoni. I fotoni sono bosoni, ossia particelle mediatrici di una forza fondamentale, in questo caso la luce (o, in termini più appropriati, la forza elettromagnetica). E la manipolazione dei fotoni è ormai da tempo realtà grazie ai risultati di diversi fisici quantistici, alcuni dei quali insigniti proprio quest’anno del Premio Nobel.

campionamento_bosonico

Prevedere i fotoni – Come funziona un computer a campionamento bosonico? C’è un emettitore di fotoni, un circuito all’interno del quale i fotoni viaggiano interagendo tra loro, e infine un output, un rilevatore capace di individuare i singoli fotoni che emergono. Questo sistema è già in grado di risolvere un problema impossibile per i computer tradizionali: prevedere in anticipo dove spunteranno i fotoni al termine del loro viaggio nel circuito. Un computer classico impiegherebbe molto tempo per trovare tutte le soluzioni, a causa di un fenomeno quantistico noto come interferenza, dovuto al fatto che la luce non è solo un insieme di fotoni, ma si comporta anche come un’onda. Un sistema computazionale a campionamento bosonico è in grado di trovare le soluzioni velocemente con un numero limitato di fotoni (appena 3 o 4). Lo strumento messo a punto è solo un dimostratore, ma i suoi sviluppatori delle università di Oxford, Londra, Southampton e Shangai sono convinti che sia possibile aumentare gradualmente il numero di fotoni immessi fino a 20 o 30, il limite teorico massimo oltre il quale il problema sarebbe irrisolvibile da qualsiasi computer classico.

Una scommessa da 100mila dollari – La sfida di costruire un chip basato sul campionamento bosonico come via intermedia al computer quantistico universale (che funzionerà, a differenza di questi sistemi, con qubit e porte logiche) fu lanciata nel 2010 da Scott Aaronson del MIT, che decise di mettere in palio 100mila dollari per chi fosse riuscito a dimostrare l’effettiva irrealizzabilità di un computer quantistico. Aaronson è parte di quella maggioranza di fisici e ingegneri sicura che gli unici problemi che impediscono oggi di avere un simile computer siano di tipo pratico – investimenti, tempo e innovazione tecnologica – e non teorico. A quanto sembra, il risultato appena raggiunto da questi quattro gruppi di ricerca dimostra che Aaronson è nel giusto e che, se forse ci vorrà tempo per un vero computer quantistico, qualcosa di simile potrà presto diventare finalmente realtà.