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tutorial: tecnologie quantistiche AUTOMAZIONE OGGI 466 SOLUZIONI SOFTWARE PER L’INDUSTRIA 93 A un primo sguardo, si potrebbe avere l’impressione che tale ‘cal- colo’ quantistico sia tutt’altro che conveniente, in quanto lo stato intermedio appare sempre indefinito, il risultato finale appare ad- dirittura casuale, e non è evidente quale sia il vantaggio a fronte di tali difficoltà. In realtà, il fatto che lo stato sia distribuito implica che, magari con una piccola probabilità, qualunque possibile valore venga considerato, e se le trasformazioni applicate spostano la di- stribuzione di probabilità sulla risposta giusta, la successiva misura restituirà esattamente tale valore, avendo esplorato tutti i possibili candidati. Per concretezza, si pensi al problema di cercare l’uscita da un labirinto, dove ogni pixel nella mappa del labirinto può essere associato a un bit di valore 1 (se fa parte del percorso verso l’uscita) o 0 (se è un ostacolo o non ne fa parte). Con un calcolo di tipo classico e deterministico, il percorso corretto può essere trovato usando un criterio di esplorazione che a ogni bivio seleziona una possibile strada e la segue fino all’uscita, oppure fino a trovarsi in un vicolo cieco, nel qual caso tornerà indietro fino all’ultimo bivio non completamente esplorato per ripetere la pro- cedura con un nuovo percorso. Con un calcolo di tipo quantistico, ogni qubit sarà in una sovrapposizione di stati, e quindi il percorso fino all’uscita è presente sin dall’inizio con una probabilità non nul- la; le trasformazioni applicate alla mappa di qubit aumenteranno la probabilità di tale percorso a scapito degli altri, e la misura farà col- lassare lo stato sulla soluzione corretta. Se si pensa a problemi com- plessi come la ricerca del minimo di una funzione su un insieme o la scoperta della struttura tridimensionale di una molecola, si capisce come la capacità dei qubit di rappresentare contemporaneamente tutte le possibili alternative possa essere alla base della cosiddetta ‘supremazia quantistica’, ovvero della capacità del calcolo quanti- stico di risolvere certi problemi in tempi incredibilmente più brevi rispetto a supercomputer basati sui bit classici. Quali difficoltà? Oltre ai vantaggi intuibili dalla descrizione precedente (benché mol- to semplificata), il calcolo quantistico presenta delle difficoltà: vale la pena di menzionarne due. La prima riguarda il paradigma di ‘pro- grammazione’, che ne risulta rivoluzionato, come è evidente dall’e- sempio precedente, per il quale la soluzione procedurale classica va sostituita dalla definizione di opportuni operatori di trasformazione delle distribuzioni di probabilità, che promuovono modifiche nella direzione della soluzione corretta del problema. La seconda riguarda l’hardware che realizza i qubit e ne consente la manipolazione: per poter emergere, i fenomeni quantistici come la sovrapposizione degli stati hanno bisogno di condizioni particolari (ad esempio, l’uso di superconduttori, che a loro volta richiedono temperature vicine allo zero assoluto) e l’assenza di interferenze dall’ambiente circostante: condizioni che hanno finora rallentato la realizzazione dei computer quantistici. Le prospettive aperte dall’applicazione di una teoria esotica come la fisica quantistica so- no entusiasmanti, e sicuramente i prossimi anni ci riserveranno svi- luppi sorprendenti. Allo stesso tempo è però opportuno mantenere una certa cautela, considerando la lunga strada percorsa per arrivare ai risultati attuali e come, nonostante tanti progressi e annunci, so- no ancora molteplici le difficoltà tecniche da superare per rendere le tecnologie quantistiche fruibili su larga scala. mento di paradigma che ci si aspetta dalle ‘tecnologie quantistiche’ punta però a sfruttare fenomeni quantistici di natura ancora più e- sotica, in grado di ridefinire le regole di discipline come il calcolo, le comunicazioni e l’ottimizzazione. Vediamone un esempio. Il fenomeno quantistico forse più noto è la ‘sovrapposizione degli stati’ con il relativo ‘collasso in uno stato puro dovuto alla misura’, la cui rappresentazione iconica è il celeberrimo gatto di Schrödinger: chiuso in una scatola con un meccanismo che secondo una certa distribuzione di probabilità può ucciderlo o meno, il gatto è ‘con- temporaneamente vivo e morto’ secondo la stessa distribuzione di probabilità, e solo l’apertura della scatola lo ‘costringe’ ad assumere pienamente uno dei due stati. In termini computazionali, la sovrap- posizione degli stati può essere sfruttata attraverso la creazione di qubit, ovvero bit quantistici. Un bit classico è un oggetto che può assumere in alternativa i due valori 0 o 1, per essere poi manipolato mediante operazioni logiche e matematiche fino all’ottenimento del risultato desiderato. D’altro canto, un qubit è un oggetto che si trova normalmente in uno stato sovrapposto nel quale vale contem- poraneamente 0 ed 1, secondo una certa distribuzione di probabili- tà; su tale stato è possibile operare con determinate trasformazioni che ne muteranno la distribuzione di probabilità, ad esempio ren- dendo il valore dello stato 1 più probabile a scapito dello stato 0; infine, una volta applicate tutte le trasformazioni desiderate, è pos- sibile misurare lo stato del qubit, costringendolo ad assumere solo uno dei due valori, con il risultato effettivo della misura dipendente dalla distribuzione di probabilità stessa (ovvero, se la distribuzione era 75% per il valore 0 e 25% per il valore 1, sarà tre volte più proba- bile che la misura abbia per risultato il valore 0). Il fenomeno quantistico forse più noto è la ‘sovrapposizione degli stati’ con il relativo ‘collasso in uno stato puro dovuto alla misura’, la cui rappresentazione iconica è il celeberrimo gatto di Schrödinger Foto: Pixabay