La "supremazia quantistica" si riferisce al momento in cui un computer quantistico esegue un calcolo che sarebbe impraticabile per un computer classico in un tempo ragionevole; fino ad oggi, due sistemi hanno rivendicato questo traguardo, e cioé:
Sycamore di Google, che nel 2019 ha completato in 200 secondi un calcolo che, secondo le stime dell'azienda, avrebbe richiesto 10.000 anni al più potente supercomputer classico di quell'anno.
Jiuzhang dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC), il quale nel 2020, ha eseguito un calcolo in 200 secondi, un compito che, secondo i ricercatori, avrebbe richiesto circa 2,5 miliardi di anni al supercomputer classico più potente disponibile.
Ma perché questo, ad oggi, sta avvenendo ?
I computer classici funzionano grazie a un elemento fondamentale: il transistor, un minuscolo interruttore che può essere acceso o spento, rappresentando rispettivamente i valori 1 e 0. Questi 1 e 0 formano il linguaggio binario, che è alla base di ogni operazione del computer. Immagina milioni di transistor che, accendendosi e spegnendosi rapidamente, formano combinazioni di 1 e 0 per eseguire calcoli e risolvere problemi.
Grazie alla miniaturizzazione, i transistor sono diventati incredibilmente piccoli. Oggi l’azienda taiwanese TSMC produce transistor di appena 3 nanometri e punta a scendere a 2 nanometri entro il 2025.
Tuttavia, il diminuire della dimensioni dei transistor, la fisica classica comincia a smettere di essere uno strumento efficace di previsione del comportamento dei fenomeni naturali, lasciando spazio alla fisica quantistica, a questo stadio cominciano ad apparire i primi fenomeni quantistici che si intensificano al ridurre ulteriormente le dimensioni.
A livelli di infinitesimali della miniaturizzazione, gli elementi possono subire l'effetto tunneling quantistico, che riguarda proprio solo fisica quantistica (e non più quella classica). Questo fenomeno descrive il comportamento della particella, come un elettrone, che riesce ad attraversare una barriera energetica che, secondo la fisica classica, non dovrebbe poter superare. Per esempio: una pallina che rotola verso una collina, secondo le leggi classiche, se la pallina non ha abbastanza energia per superarla, si ferma; con il tunneling quantistico, la pallina (l’elettrone) ha una piccola probabilità di "teletrasportarsi" dall'altra parte della collina, anche senza energia sufficiente. Questo fenomeno diventa rilevante nei transistor ultra-piccoli, dove gli elettroni possono attraversare strati isolanti sottilissimi, causando perdite di corrente.
Inoltre, i tecnici cominceranno a scontrarsi con il limite del confinamento quantistico. Questo fenomeno si verifica quando una particella, come un elettrone, è confinata in uno spazio estremamente piccolo, dell'ordine di nanometri, comparabile o inferiore alla sua lunghezza d’onda quantistica. In queste condizioni, i movimenti dell’elettrone sono quantizzati: può assumere solo determinati livelli di energia, anziché muoversi liberamente come farebbe in uno spazio più ampio, facendo cambiare il comportamento dell’elettrone con la conseguente implicazione che la corrente non può fluire in modo continuo come nei transistor più grandi, ma presenta dei salti c.d. "discreti" rendendo complesso il controllo preciso del flusso di corrente, causando difficoltà nelle operazioni logiche e nei segnali che il transistor deve processare.
Al manifestarsi dei suddetti scenari, il computer quantistico entrerà in scena, perché non si può ridurre le dimensioni dei transistor all'infinito per progredire con la potenza di calcolo. Ricordo, comunque che i computer quantistici non usano bit che possono essere 0 o 1 (evento prettamente deterministico), ma utilizzano i qubit, che possono trovarsi in entrambi gli stati (0 e 1) contemporaneamente grazie a un fenomeno chiamato sovrapposizione.
Se il suddetto fenomeno permette al computer quantistico di esplorare molte soluzioni in parallelo, aumentando esponenzialmente la capacità di calcolo, introduce, anche, un altro aspetto importantissimo, e cioé la necessità di utilizzare porte logiche differenti, ovvero circuiti che sfruttano le proprietà quantistiche come quelle appena menzionate, in particolare la sovrapposizione e dell'entaglement (vedere anche post allegato).
Pertanto, i computer tradizionali che usano porte logiche come (per esempio) AND e OR (eventi deterministici), e i linguaggi correlati a questa visione (architettura Von Neumann) saranno completamente anacronistici perché le porte quantistiche manipolano stati sovrapposti e intrecciati dei qubit, rendendo possibile solo calcoli basati su probabilità invece che su sequenze rigide. Questo fenomeno stravolge, quindi, tutta l'informatica e la programmazione dei computer che è invariata (nei suoi fondamenti) da almeno 80 anni !
Concludendo, questi nuovi approcci alla programmazione quantistica potrebbero rivoluzionare diversi settori, come la simulazione molecolare, la crittografia, l'intelligenza artificiale e l'ottimizzazione di sistemi complessi; allo stato attuale questa tecnologia è però allo stadio iniziale, perché mantenere i qubit in stato di sovrapposizione ed entanglement richiede ambienti estremamente stabili e freddi, vicino allo zero assoluto, per evitare interferenze esterne (cose difficilmente ottenibili in ambienti se non in ambienti super controllati, ultra costosi che soltanto grandi big dell'informatica possono permettersi).
Tuttavia, è innegabile che i computer quantistici rappresentano una frontiera affascinante: la loro capacità di gestire calcoli complessi in modi nuovi potrebbe risolvere problemi oggi insormontabili. Anche se si tratta di una tecnologia agli stadi iniziali abbiamo già raggiunto notevoli risultati, di cui uno su questi è, appunto, la "supremazia quantistica".
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