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E’ di un gruppo italiano il primo esperimento con cui è stata dimostrata la possibilità di applicare le regole della meccanica quantistica per svolgere un’operazione logica. Francesco De Martini, professore dell’Università La Sapienza di Roma, ha guidato la ricerca che attraverso un sistema ottico piuttosto complesso, molto diverso da un reale computer, ha permesso di fabbricare una macchina quantistica in grado di realizzare la migliore approssimazione possibile della funzione d’inversione logica. Ricercatori di tutto il mondo sono al lavoro da tempo per realizzare il sogno di un computer quantistico, uno strumento in grado di assicurare una potenza di calcolo illimitata, ma che richiede per la sua realizzazione il superamento di formidabili difficoltà teoriche e pratiche.
Un normale calcolatore esegue i suoi calcoli utilizzando sequenze di livelli logici – i bit – che possono assumere solo due valori discreti: 0 e 1. Queste due varianti, sono facilmente traducibili in un circuito elettronico aperto o chiuso e da qui il vertiginoso sviluppo dell’industria elettronica. In un computer quantistico i dati non sono rappresentati solo da due livelli singoli, ma sono possibili numerosi stati intermedi, frutto di combinazioni parziali tra i due. Un bit quantistico, un qubit, equivale infatti secondo la terminologia cara ai fisici, ad una sovrapposizione dell’onda del livello 1 con quella del livello 0. Solo il processo di osservazione sblocca questa indeterminazione forzando il sistema ad assumete un valore preciso. In tal modo, nel mondo quantistico è possibile esplorare tutte le combinazioni che forniscono soluzioni plausibili, in un solo passaggio di calcolo. Una caratteristica che offre un’enorme velocità computazionale, rendendo semplice lo studio di sistemi complessi che richiedono la valutazione di un elevato numero di variazioni. Purtroppo queste informazioni non sono facilmente estraibili dall’esterno. La meccanica quantistica ci insegna, infatti, che basta la semplice osservazione di un sistema per perturbarlo in maniera irreversibile, perdendo l’informazione originale.
Prendiamo il caso della semplice operazione logica di negazione,-NOT-; si tratta di rovesciare simultaneamente una sovrapposizione di stati nel suo opposto. Un’operazione del tutto lecita dal punto di vista della fisica classica, ma impossibile con precisione assoluta per la meccanica quantistica. Un’impossibilità che riflette la limitata quantità d’informazioni disponibili sullo stato iniziale, pena la sua modifica con misure, per così dire “troppo invasive”. Secondo il paradigma della meccanica quantistica l’operazione logica di negazione ha un limite massimo di esattezza che non può superare il 66.6%. Per mettere alla prova questa previsione teorica i ricercatori italiani hanno utilizzato dei fotoni, particelle molto più semplici da manipolare rispetto agli elettroni utilizzati nei transistor. La “macchina” che realizza il NOT è un particolare amplificatore ottico capace di agire sullo stato di polarizzazione dei fotoni, una caratteristica che può assumere solo due valori, diciamo 0 e 1. Quando un fotone, di polarizzazione ignota, attraversa questa macchina, stimola l’emissione di due fotoni che viaggiano in direzioni opposte tra loro. Uno è una copia dell’originale, mentre il secondo ha una polarizzazione opposta e può quindi essere equiparato ad una “negazione” dello stato quantistico del fotone originale. L’efficienza di questa negazione è pari al 63%, un valore molto prossimo al limite teorico.
Per chi vorrà cimentarsi nel futuro nella progettazione di un computer quantistico, sarà perciò necessario contemplare delle soluzioni correttive che tengano conto di questo comportamento bizzarro del not gate quantistico.