QUANTUM COMPUTING
TRA SOGNO E REALTA'

L'unità di informazione nei computer tradizionali è il bit, un oggetto che può avere due valori alternativi: 0 ed 1. La corrispondente unità di informazione quantistica è il qubit che in pratica è costituito da una particella come ad esempio un elettrone. L'elettrone può trovarsi in due stati: spin-su e spin-giu. I simboli degli spin ↑ e ↓ in qualche modo corrispondono ai tradizionali 0 ed 1.

Nella meccanica quantistica emerge però un fatto per molti versi straordinario. Gli stati di spin sono distinti e nella realtà coesistono, si dice che si trovano in sovrapposizione. Il singolo elettrone ha dunque uno stato indeterminato ed inimmaginabile nella logica classica, il quale comprende sia ↑ sia ↓. Quindi se si procede a costruire un registro costituito da due elettroni, i dati registrati sono quattro in corrispondenza delle possibilli configurazioni degli spin: 

↑ ↑, ↑ ↓, ↓ ↑, ↓ ↓,

che corrispondono ai quattro dati binari normali:

00, 01, 10, 11

Dunque in un registro a due celle convivono in sovrapposizione tutti e quattro i valori sopra riportati, estraibili con opportuni strumenti. In ambito tradizionale avremmo bisogno di 4 registri a 2 celle, nel computer quantistico è sufficiente 1 registo con 2 celle. Continuando si può affermare che un registro a 3 celle contiene 8 valori, a 4 celle 16 valori e così via. Il numero di operazioni che un sistema quantistica può eseguire è 2ⁿ quando n sono i qubits utilizzati. Da questo viene una significativa conseguenza, un sistema che ha per esempio 500 qubit ha le potenzialità di calcolo di 2⁵⁰⁰ operazioni in un solo passo. Dettagli che  fanno chiaramente intuire le potenzialità elaborative di una macchina quantistica.

Sul piano pratico tuttavia i problemi sono enormi. La costruzione di un solo registro quantistico è una sfida tecnologica molto impegnativa. Infatti una particella per stare nello stato di sovrapposizione deve essere isolata nello spazio vuoto e non deve interagire con strumenti o circuiti o componenti perché altrimenti perde questa proprietà. Si dice che interviene un fenomeno di decoerenza quantistica : la particella collassa, non è più in sovrapposizione ed assume uno solo dei suoi stati quando subisce una interferenza esterna. Un elettrone che non sia opportunamente manipolato assume o lo spin ↑ oppure lo spin ↓ e perde lo stato di sovrapposizione. Come si costruisce allora un registro quantistico?

Varie strade sono state tentate.
Una è nota come confinamento ionico lineare. In parole semplici si usano n ioni, messi in linea con opportuni campi elettromagnetici, i quali ioni funzionano come n celle del registro quantistico. Ogni ione, manipolabile mediante raggi laser, assume lo stato di eccitazione ↑ e di riposo ↓. La risonanza magnetica nucleare è un'altra tecnica che utilizza come qubit nuclei atomici i quali vengono manipolati mediante radio-frequenze. Un'altra tecnologia tenta di usare elettroni immersi nell'elio liquido, ad una temperatura molto vicina allo zero assoluto. Infine sono stati sperimentati i cosiddetti quantum dot che sono piccole isole di materiale semiconduttore (poche centinaia di atomi) all’interno di un chip. Applicando opportuni campi elettrici attorno all'isola, si può intrappolare al suo interno un elettrone che viene usato come un qubit. Le tecniche costruttive dei quantum dot sono vicine a quelle della tradizionale microelettronica ed è possibile costruire un notevole numero di quantum dot sullo stesso chip.

Il risultato pratico più significativo è stato ottenuto nel 2001 da alcuni ricercatori della IBM che hanno usato una molecola con 5 atomi di fluoro e 2 di carbonio. I 7 nuclei atomici hanno funzionato come qubits programmati mediante una radiofrequenza (cioè con la tecnica della risonanza magnetica) ed hanno effettuato il calcolo di fattorizzazione del numero 15.

Queste citazioni sono sufficienti per capire come attualmente [a metà del 2006] non abbiamo ancora una tecnologia sicura, e la preparazione di un intera macchina da calcolo non appare di immediata conclusione.

  Indietro