Vantaggio o supremazia?

Nel giro di pochi decenni abbiamo assistito a uno spettacolare processo di miniaturizzazione dei circuiti integrati che costituiscono l’hardware dei moderni computer. Le dimensioni delle singole celle di memoria stanno raggiungendo rapidamente la scala atomica. Quando le singole celle di memoria del computer raggiungono dimensioni microscopiche il loro comportamento non può più essere descritto dalle leggi della fisica classica, ma deve essere descritto dalle leggi della meccanica quantistica. In particolare, per il principio di sovrapposizione, un singolo bit può trovarsi contemporaneamente nei suoi stati logici 0 e 1, in altre parole diventa un quantum bit – ovvero un qubit. La grande intuizione dei padri del calcolo quantistico fu che un hardware quantistico può eseguire algoritmi impossibili da far eseguire da un hardware classico, in quanto può elaborare in parallelo i dati codificati nella sovrapposizione dei suoi stati interni. Non è semplice orientarsi tra i titoli di testa di pagine web e di riviste online che spesso, con toni sensazionalistici, parlano dell’avvento della cosiddetta “supremazia quantistica” e farsi una idea chiara delle promesse e delle reali possibilità aperte nel campo dei calcolatori (o computer) quantistici. La stessa comunità scientifica oscilla tra grandi entusiasmi e grande prudenza. Oggi, con la realizzazione dei primi veri calcolatori quantistici e con un crescente interesse per le ricadute scientifiche ed economiche che ne derivano, è bene avere un quadro equilibrato e chiaro di cosa dobbiamo realisticamente attenderci dai computer quantistici nell’immediato futuro.
Il primo passo per comprendere cosa si intende per supremazia quantistica è quello di chiarire il concetto di complessità di un algoritmo. Per algoritmo si intende la sequenza di operazioni necessarie per risolvere un problema. La complessità di un problema viene misurata dal numero di operazioni dell’algoritmo che lo risolve in funzione della lunghezza dei dati del problema. Se codifichiamo i dati di un problema in stringhe di bit, ovvero in sequenze di numeri binari che possono assumere il valore 0 o 1, è immediato, ad esempio, rendersi conto che il numero di operazioni necessarie per sommare due numeri è direttamente proporzionale alla lunghezza delle stringhe che li codificano, mentre per moltiplicarli è necessario un numero di operazioni proporzionale al quadrato della loro lunghezza. Le operazioni di un algoritmo che opera su stringhe di bit vengono descritte in termini delle cosiddette “porte logiche” (AND, OR, ecc.). Un calcolatore è semplicemente un sistema fisico – l’hardware – che elabora i dati seguendo le indicazioni di un programma che esegue l’algoritmo – il software. Per essere più concreti, in un moderno calcolatore i bit sono codificati nella differenza di potenziale ai capi degli elementi circuitali delle singole celle di memoria e le porte logiche che agiscono su questi bit cambiano lo stato logico di tali celle secondo regole che dipendono dal programma. In altre parole, un computer traduce una sequenza di operazioni logiche in una sequenza di stati del suo hardware. È importante notare che se un calcolatore è più veloce di un altro significa semplicemente che essi attraversano la stessa sequenza di stati con velocità differenti, ovvero eseguono lo stesso algoritmo – la stessa sequenza di operazioni – ma uno dei due è più veloce nel compiere le singole operazioni.

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Panoramica delle piattaforme fisiche già utilizzate o candidate per la realizzazione di dispositivi di calcolo quantistici.