Il Pesa-Nervi

«Lei parla a vanvera, giovanotto!
No, penso a dei critici con la barba».

Operazione Orion

Pro e contro dei futuri computer quantistici. Se non decoerisce funziona!

[una foto del chip da 16 qubit realizzato da D-Wave]«Se è verde o si muove è biologia,
se puzza è chimica,
se non funziona è fisica»
Arthur Bloch

Il tredici febbraio di quest'anno (2007), una notizia apparsa inizialmente sui giornali locali di Vancouver (Canada) ha in breve tempo fatto il giro del mondo. I primi articoli che riportarono tale notizia, iniziavano quasi tutti con le seguenti parole: «Azienda canadese presenta un nuovo prodotto, nel campo delle applicazioni inerenti al settore della ricerca scientifica sui sistemi di calcolo». Questo nuovo prodotto difficilmente sarebbe potuto passare inosservato, poiché rappresenta una di quelle mete che in ambito tecnologico si riteneva fossero raggiungibili solo nei decenni a venire: ovvero la realizzazione fisica del computer quantistico (in sigla, QC, quantum computer).

Il primo prototipo al mondo di QC, denominato «Orion» dalla D-Wave Systems, l'azienda canadese che lo ha prodotto, è stato presentato al Museo di Storia dei Computer [1] di Silicon Valley, in California. Durante la dimostrazione pratica delle capacità di calcolo di Orion (durata circa due ore), quasi quattrocento persone, tra ingegneri, informatici, fisici ed altri esperti di ogni genere, hanno potuto appurare quindi le reali potenzialità di questo neonato «mostro tecnologico».

Qualche anno fa, la stessa azienda che ha costruito Orion aveva già fatto parlare di sé con un precedente prototipo di QC. La notizia però allora non fece molto scalpore, perché si trattava di un misero abbozzo di QC, con soli due qubit [2] di capacità di calcolo. L'attuale modello di QC presentato dalla "D-Wave Systems", dispone invece di ben 16 qubit. Durante la dimostrazione, Orion è stato in grado di risolvere tre problemi: il matching di molecole farmaceutiche [3], un caso semplice del problema del Commesso Viaggiatore [4] e un puzzle Sudoku [5].

L'obiettivo che la D-Wave Systems si è proposta di raggiungere entro la fine del 2007 è quello di arrivare a 32 qubit di capacità di calcolo, per poi toccare la soglia dei 1024 qubit alla fine del 2008. C'è comunque chi rimane molto scettico, in relazione ad alcune questioni di ordine scientifico-tecnologico che ruotano attorno al concetto di QC; delle questioni legate all'effettiva applicabilità di teorie e concetti strettamente legati al mondo della meccanica quantistica, in cui parlare di «entità isolate» (come un qubit, ad esempio) è sempre altamente aleatorio, se non addirittura un controsenso.

Una di queste persone è il Prof. Andrea Pasquinucci (Ph.D in Fisica Teorica) dell'Università degli Studi di Milano, che esprime chiaramente tutti i suoi dubbi in relazione ai possibili-potenziali futuri sviluppi della Quantum computer's technology, con le seguenti parole:

Questo progetto ha una grave incognita, la "decoerenza". (...) le particelle elementari utilizzate come qubit rischiano di interagire con le particelle del mondo circostante e trasformarsi in modo casuale. Questo ovviamente porterebbe a risultati praticamente casuali per i calcoli. D-Wave ammette di non essere sicura di riuscire a mettere insieme più di 16 qubit e mantenerli isolati e controllati come dovrebbero. Se questa paura si rivelasse realtà, Orion rimarrebbe non solo il prototipo ma anche l'ultimo della sua specie.

Ebbene sì, uno dei problemi, che in genere si tende a sottovalutare quando si parla di computer quantistici, è proprio quello della decoerenza. Ma che cos'è la decoerenza? Be', vediamo di chiarirlo.

In un modello di «misura», ciò che produce la riduzione del pacchetto d'onde è l'interazione del sistema con ciò che gli sta attorno (ad esempio lo stesso «apparecchio di misurazione»). Più generalmente, gli oggetti quantistici non sono mai completamente isolati da ciò che li circonda, dove per «ciò che li circonda» si intende tutto ciò che interagisce con il sistema (un apparecchio, delle molecole d'aria, dei fotoni, ecc.). Le molteplici interazioni tra l'oggetto quantistico e «ciò che lo circonda» causano una distruzione molto rapida delle interferenze quantistiche del sistema. Le interferenze sono un fenomeno ondulatorio, che caratterizzano i comportamenti quantistici. La distruzione delle interferenze comporta a sua volta una soppressione delle superposizioni di stati che caratterizzano l'oggetto quantistico; esso quindi, disponendo unicamente di alcuni stati semplici, assume immediatamente un comportamento classico. In un oggetto macroscopico (un gatto per esempio), ogni suo atomo interagisce con tutti gli altri atomi dell'ambiente che gli sta attorno. Tutte queste interazioni provocano spontaneamente un «ronzio» di interferenze quantistiche, che spariscono quasi istantaneamente. Ecco perchè la fisica quantistica non si applica alla nostra scala: i sistemi non sono mai isolati. Questo fenomeno è stato battezzato «decoerenza», poichè è la distruzione della coerenza degli stati quantistici che elimina le interferenze. La velocità di decoerenza aumenta con la grandezza del sistema. Un gatto per esempio, formato da circa 1027 particelle, «decoerisce» in 10-23 secondi. Ciò spiega perchè non si sono mai visti dei gatti «morti-vivi» [6] e, infine, perchè la decoerenza sia così difficile da osservare.

Tornando al discorso sui computer quantistici, uno dei problemi più ardui da risolvere è quindi quello di impedire che l'interferenza dei vari calcoli si rifletta sul mondo macroscopico. Infatti, se un gruppo di atomi o di molecole è sottoposto a un fenomeno di interferenza e interagisce al tempo stesso con l'ambiente macroscopico, non è più possibile rilevare l'interferenza con misure che riguardano solo gli atomi del gruppo originario, che così cessa di effettuare un'attività di calcolo quantistico utile.

I dubbi di Pasquinucci comunque, come probabilmente anche quelli di molti altri fisici teorici, non sono legati esclusivamente al problema della decoerenza, ma vanno oltre; come dimostrano queste altre sue affermazioni:

"(...) un dubbio più rilevante è stato sollevato da molti scienziati che si occupano di elaboratori quantistici. (...) D-Wave ha scelto di realizzare il proprio elaboratore usando dei sistemi a superconduttori a temperature vicine allo zero assoluto. Inoltre la struttura interna dell'elaboratore quantistico di D-Wave segue un modello semplificato introdotto nel 1999, che non è in grado di implementare l'algoritmo di Shor, ma solo quello di Grover. L'algoritmo di Shor è, tra gli algoritmi per elaboratori quantistici, quello più famoso, poiché è in grado di fattorizzare il prodotto di numeri primi, con possibili conseguenze sia per la sicurezza informatica (gli algoritmi crittografici asimmetrici quali RSA sono basati su problemi matematici di questo tipo) sia per la teoria dei numeri. L'algoritmo di Grover invece permette solamente di risolvere alcune equazioni particolarmente complesse nella fisica delle particelle elementari o delle interazioni molecolari, ed il famoso problema del "Commesso Viaggiatore", che ha moltissime applicazioni pratiche, dalla organizzazione di merci e magazzini ai portafogli finanziari.

Il problema con l'implementazione di D-Wave è che non è chiaro se Orion sia veramente un elaboratore quantistico o solamente un elaboratore superconduttore. La differenza fra questi due tipi di elaboratori è sostanziale: il primo adotta la logica quantistica ed è in grado di fare operazioni in modo impossibile altrimenti, il secondo adotta l'usuale logica digitale, ma raggiunge velocità impossibili altrimenti grazie alla superconduttività. D-Wave afferma di avere «compelling evidence» che Orion si comporta come un elaboratore quantistico, e che presto renderà pubbliche queste prove. D'altra parte il dubbio è legittimo, in quanto in Orion la componente quantistica è così ridotta che è lecito dubitare se abbia veramente un qualche effetto sull'esecuzione dei calcoli.

Seth Lloyd, ricercatore presso il MIT di Boston, rivela uno scetticismo simile a quello di Pasquinucci: «È ancora troppo piccolo per risolvere quesiti impossibili ai computer tradizionali, ma non si può sapere se funzionerà anche a dimensioni maggiori. Se funzionerà, si potranno risolvere problemi difficili e D-Wave sarà sicuramente invasa dalla domanda... Ma non è certo il tipo di azienda in cui investirei il mio denaro».

Un po' meno scettica sembra essere invece Luisa Spairani, laureata con il massimo dei voti in Fisica Teorica all'Università di Pavia, che ad esempio, parlando della crittografia (un altro argomento strettamente legato al concetto di quantum computing), ci fa osservare che:

Un altro problema per il quale l'impiego delle proprietà quantistiche sembra schiudere promettenti orizzonti è quello relativo alla soluzione del cosiddetto problema del corriere, presente nei sistemi crittografici. Questo problema è relativo al fatto che qualunque trasmissione crittografica protetta include l'inevitabile impiego di un corriere per il trasporto della chiave. Il corriere è il punto debole di tutto il sistema (esso stesso può «tradire», o, essere sequestrato e costretto a tradire). Non giova pensare al fatto che le due parti possano incontrarsi per lo scambio delle chiavi una volta per tutte, prima di qualsiasi collegamento, perché ovvie ragioni di sicurezza consigliano di cambiare ad ogni collegamento la chiave. Dunque, alle due parti, se vogliono comunicare standosene nella propria sede, non resta altro che affidarsi ad un corriere (...). È possibile dimostrare teoricamente che si possono ottenere messaggi crittografati a ermeticità assoluta ove, a ogni sessione, si ricorra a chiavi realizzate con sequenze casuali di dati, in modo da non fornire al criptoanalista della parte avversa «dati storici» su cui poter lavorare. La tecnica di criptazione, con un procedimento quantistico per realizzare scambio di chiavi, produce assoluta ermeticità.

E se i ricercatori della D-Wave Systems fossero sulla giusta strada? Se così fosse, solo il tempo potrà dar loro ragione.

Sitografia:

[1] Il Computer History Museum è considerato il più grande ed importante museo in cui si trovano custoditi, dal più "antico" al più recente, tutti i calcolatori che siano mai stati realizzati dall'uomo, a partire dall'inizio del secolo scorso fino ad oggi. Il museo contiene circa cinquantamila oggetti, fotografie e pellicole (filmati), come pure due chilometri di documentazione catalogata e diverse centinaia di gigabyte di software. Originariamente situato a Moffett Field, in una vecchia costruzione precedentemente adibita a deposito mobilia di una base navale della US Navy, oggi si trova invece ubicato sul North Shoreline Boulevard di Mountain View, a Slicon Valley, in California; al pubblico è stato aperto solo nel giugno del 2003.

[2] Qubit, contrazione di quantum bit, è il termine coniato da Benjamin Schumacher per indicare il bit quantistico ovvero l'unità di informazione quantistica. Per definire il qubit è indispensabile introdurre innanzi tutto un concetto nuovo: il quanto di informazione. Con quanto di informazione si intende la più piccola porzione in cui una qualsiasi informazione codificata può essere scomposta ed è quindi l'unità di misura dell'informazione codificata. Così come il bit è il quanto di informazione della computazione classica, la computazione quantistica si basa su un concetto analogo: il quantum bit. Al pari del bit, il qubit è un oggetto matematico con determinate, specifiche proprietà. Il vantaggio nel trattare i qubit come entità astratte risiede nella libertà di costruire una teoria generale della computazione quantistica che non dipende dagli specifici sistemi utilizzati per la sua realizzazione.

[3] Le nuove tecniche di calcolo informatico rivestono un ruolo assai importante nella selezione dei composti (chemio-informatica), come pure nelle applicazioni di bio-informatica strutturale. Il primo passo cruciale, nel processo di sviluppo di un farmaco, sta nell'identificare e convalidare un insieme ridotto di molecole bersaglio dei farmaci (quali proteine di tipo enzimatico, recettoriale e di trasduzione del segnale). Una volta identificate queste molecole, si hanno le basi per lo screening e per la sintesi di nuove molecole che possono interagire con esse. Ad ottenimento dell'insieme dei target molecolari, viene eseguita un'analisi strutturale sugli stessi al fine di «caratterizzarli», e si identifica un insieme di possibili ligandi che siano in grado di interagire con questi target. Le tecniche di sintesi consentono di produrre un gran numero di composti che potrebbero interagire con un target. Ciascuna molecola è caratterizzata da un insieme di proprietà chimico-fisiche, in base alle quali è possibile selezionare un numero ristretto di elementi da sottoporre a simulazione di interazione col target (virtual screening).

[4] Il problema del commesso viaggiatore (TSP, Traveling Salesman Problem) è uno dei problemi classici che possono essere risolti utilizzando un algoritmo genetico (l'algoritmo genetico è un metodo euristico di ricerca ed ottimizzazione, ispirato al principio della selezione naturale di Charles Darwin che regola l'evoluzione biologica). Il TSP riguarda un commesso viaggiatore che deve visitare ogni città in una data rete prima di tornare al punto iniziale e completare il suo viaggio. Il problema richiede il percorso più economico, cioè un percorso chiuso che passa attraverso ciascun nodo nel grafo (città) e il cui costo totale (cioè la distanza totale percorsa) sia minimo. Le sue applicazioni rientrano nel disegno di linee telefoniche e di circuiti integrati, come pure nella programmazione di robot industriali. In tutte queste applicazioni, la capacità di trovare un percorso economico nel grafo in questione può essere cruciale. Il TSP è un problema NP-difficile (Polinomiale non deterministico completo), che in pratica è irrisolvibile con un algoritmo lineare standard, se la complessità del problema è sufficientemente elevata. Il TSP può essere risolto con un computer molto veloce quando il numero di nodi, ad esempio, è dell'ordine di 50. Se il grafo è più grande, è necessario un algoritmo non lineare.

[5] Il sudoku è un gioco di logica nel quale al giocatore o solutore viene proposta una griglia di 9 × 9 celle, ciascuna delle quali può contenere un numero da 1 a 9, oppure essere vuota; la griglia è suddivisa, da bordi in neretto, in 9 "sottogriglie", chiamate regioni, di 3 × 3 celle contigue. Le griglie proposte al giocatore hanno da 20 a 35 celle contenenti un numero. Scopo del gioco è quello di riempire le caselle bianche con numeri da 1 a 9, in modo tale che in ogni riga, colonna e regione siano presenti tutte le cifre da 1 a 9, e pertanto senza ripetizioni

[6] L'allusione è riferita all'ormai leggendario «Gatto di Schrödinger». Il paradosso ideato da Erwin Schrödinger (fisico austriaco, 1887-1961) servì ad illustrare l'assurdità della fisica quantistica, se la si applica al mondo macroscopico della nostra realtà quotidiana. Tale paradosso consiste nell'immaginare quanto segue: si chiude un gatto in una scatola in cui vi è una sostanza radioattiva che ha una possibilità su due di emettere una particella in un'ora. Questa sostanza presenta un comportamento quantistico, ovvero si trova in una superposizione di stati: particella emessa / particella non emessa. Ora, l'emissione di una particella aziona un dispositivo che rompe un flacone di veleno e uccide il gatto. Cosicché il povero gatto, la cui sorte dipende da quella della particella, deve anch'esso forzatamente trovarsi in una superposizione di stati: gatto-morto / gatto-vivo. Ciò è evidentemente assurdo, poiché i gatti obbediscono alle leggi della fisica classica. Tra i gatti e le particelle esiste quindi un livello intermedio detto mesoscopico, in cui possono coesistere comportamenti quantistici e classici. La teoria è ancor oggi accettata da un gran numero di scienziati.

Commenti dei lettori

  1. Commento di Talksina - 2/3/2007 ore 11,23

    Ciao, solo per provare se funziona il captcha.
  2. Commento di luigi Latini - 2/3/2007 ore 14,55

    Mi sembra perfettamente gestibile.. E come potrebbe essere altrimenti conoscendoti?
  3. Commento di luca - 2/3/2007 ore 15,11

    test
  4. Commento di Michele Diodati - 2/3/2007 ore 15,12

    Ciao Luigi e Talksina,
    vi ringrazio per i vostri test. Mi confermano che questo sistema di CAPTCHA è accessibile.

    P.S.: chiedo scusa ai lettori per questi interventi che non hanno un nesso diretto con l'articolo di Fausto Intilla. Stiamo provando se il filtro messo contro lo spam funziona correttamente.
  5. Commento di Fausto Intilla - 7/11/2007 ore 18,30

    È di qualche giorno fa la notizia che alcuni ricercatori olandesi sono riusciti a modificare-"manipolare" lo spin di un singolo elettrone,utilizzando dei campi elettrici:
    http://www.sciencedaily.com/releases/2007/11/071101144942.htm

    Come si evince dall'articolo,un elettrone non è definibile unicamente in base alla sua carica elettrica,poichè grazie al suo spin , esso è considerabile come una sorta di "piccolo magnete".
    In un campo magnetico, lo spin può orientarsi nella stessa direzione del campo in questione, oppure in quella opposta. Ora, in base alle leggi della meccanica quantistica,sappiamo che lo spin si ritrova in una superposizione di stati,ovvero esso può esistere in entrambi gli stati contemporaneamente (un fenomeno dovuto all'ampiezza delle funzioni d'onda).
    I ricercatori Katja Nowack e Frank Koppens,hanno quindi costretto un elettrone a muoversi attraverso un campo elettrico assai mutevole,dimostrando così la possibilità di poter modificare a "piacimento" lo spin di quest'ultimo.Il vantaggio di controllare lo spin con dei campi elettrici,piuttosto che con quelli magnetici,è che i primi sono molto più semplici da generare.In futuro, sarà quindi più semplice controllare i vari spin degli elettroni (un fattore fondamentale nella costruzione di un computer quantistico),indipendentemente,l'uno dall'altro. Gli stessi ricercatori,stanno ora cercando di ripetere l'esperimento,usando però questa volta dei gruppi di elettroni.

    Fausto Intilla
    www.oloscience.com

Articolo di Fausto Intilla pubblicato il  1/3/2007 alle ore 13,04.

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