Computer quantistico

Ciao a tutti amici di  commodoreblog ,Google a novembre 2019 ha annunciato la propria supremazia quantistica, ossia è riuscita con un cosiddetto computer quantistico, ad ottenere una velocità di calcolo superiore a quella del proprio super computer creato con la tecnologia “tradizionale”. E’ con questo articolo che voglio presentarmi a voi tutti. Sono Duccio, ma voi potete semplicemente chiamarmi Sid.

Computer Quantistico, cerchiamo di capire

Un computer, come molti di voi sapranno, funziona, attraverso i 7 layer del modello teorico iso\osi da una base fondamentalmente elettrica. Questa è creata da una sorta di interruttori, fino al livello più alto, identificabile nell’interfaccia grafica del so o dell’applicazione in uso.
Quindi più basso è il livello, più vicini all’Hardware siamo.
A livello molto basso troviamo i cosiddetti Gates logici, ovvero end or not e loro mix, ed ancora più in basso i transistor.

Transistor, il livello più basso

Questi ultimi sono degli interruttori fisici controllabili elettricamente. Applicando tensione ad un estremità, il transistor permetterà o non permetterà il passaggio di tale tensione. Il transistor può assumere 2 stati, semplificabili in 0 e 1: ecco perché il suo comportamento si dice binario. Chiaramente, essendo il loro funzionamento estremamente semplice, per le operazioni del PC saranno necessari grandi quantità di transistors. Per capirci: ogni lettera dell alfabeto, per essere rappresentata, necessita di 4 transistors.

La miniaturizzazione

Per far si che i computer rimangano su dimensioni ragionevoli, nel corso degli anni, si è ricorso ad una miniaturizzazione sempre maggiore di tali interruttori. Attualmente i transistors dei processori AMD, quelli con il livello di miniaturizzazione maggiore, si aggirano sui 7 nanometri. Per avere un termine di paragone, una cellula del sangue è all’incirca pari a 40 nm. A livello teorico la dimensione minima di un transistor è quella di 1 atomo. E qui iniziano i problemi.

Il problema del Tunnel Quantistico

Ulteriore miniaturizzazione sarebbe di fatto impossibile, per cui le strade ipotizzabili sono due. Nella prima si parla di usare semiconduttori con atomi più piccoli di quelli del silicio, con lo scopo di farne stare di più nello stesso spazio. Si dovrebbe perciò andare alla ricerca di materiali con le stesse proprietà semi-conduttive del silicio, ma non è percorribile. Questo perché a dimensioni troppo piccole la fisica, per come la conosciamo, inizia a non seguire più le stesse regole. Una delle anomalie che iniziano a verificarsi in caso di miniaturizzazione estrema è il cosiddetto teletrasporto degli elettroni. In pratica gli elettroni passano anche in caso di interruttore aperto, mediante il fenomeno del cosiddetto “tunnel quantistico”. Fenomeno che può essere sfruttato per un diverso funzionamento dei computer.

Computer Quantistico, la seconda strada

Tutta l’informazione contenuta in un PC è di fatto composta da elementi minimi, detti bit, elementi il cui valore può essere o 0 o 1. Nel computer quantistico anziché informazioni composte da bit, troveremo le stesse informazioni composte da Qbit. Il qbit puo avere stato 0, stato 1 oppure qualsiasi valore esistente fra 0 e 1. Per capire meglio questo concetto è utile l’esempio del gatto di shroedinger. Questa teoria dice che un gatto chiuso in una scatola con una fiala di veleno, che potrebbe aprirsi in un momento qualsiasi, finché la scatola non viene aperta, si trova in uno stato di sovrapposizione quantistica, secondo la quale il gatto è sia vivo che morto contemporaneamente.

La meccanica Quantistica

In meccanica quantistica non è possibile descrivere classicamente gli oggetti, e si ricorre ad una rappresentazione probabilistica. Per mostrare il fatto che una particella può collocarsi in diverse posizioni, ad esempio, la si descrive come se essa fosse contemporaneamente in tutte le posizioni che può assumere. Ad ogni posizione possibile corrisponde la probabilità che osservando la particella essa si trovi proprio in quella posizione. L’operazione di osservazione, tuttavia, modifica irrimediabilmente il sistema. Questo perché una volta osservata in una posizione la particella assume definitivamente quella posizione (cioè ha probabilità 1 di trovarsi lì) e quindi non si trova più in una “sovrapposizione di stati”.

L’esempio del Fotone

Un altro esempio interessante è quello del fotone. Il fotone ha una direzione ed e un onda. Indirizzando il raggio di luce verso un bersaglio, la direzione non cambia ma essendo un onda, può essere orientata in svariate maniere. Se assumiamo idealmente la posizione zero sull’asse Z e 1 sull’asse y, l onda, quando arriverà a destinazione potrà avere inclinazione 0, 1 o qualsiasi nel mezzo. C’è un problema però: per assioma, nella meccanica quantistica, andando a leggere il valore del qbit, il suo stato “collassa” o a 0 o a 1. Nel momento in cui apriamo la scatola il gatto assume uno ed un solo stato: o vivo o morto, uscendo dalla situazione di sovrapposizione quantistica.

Come leggere un raggio di luce

Torniamo per un attimo al nostro fotone. Per “leggere” un raggio di luce è necessario un filtro polarizzatore. Nulla di più e nulla di meno che un filtro a lamelle diciamo verticali. Quando l’onda colpisce il filtro, se in quel momento il valore è verticale (1) passerà. Se è orizzontale (0) non passerà. In tutti i casi intermedi se è “abbastanza” allineato passerà, diversamente no. Questa viene chiamata “superposizione“. Un Qbit può assumere quindi infiniti valori, ma all’atto della sua analisi il valore dovrà ricadere necessariamente in una delle 2 superposizioni: o 0 o 1.

Computer Quantistico e Qbit

Tralascio le equazioni. Con 2 bit posso rappresentare 1 informazione su 4 possibili, ovvero: 00 oppure 01 oppure 10 oppure 11. Due Qbit possono invece rappresentare queste 4 informazioni anche contemporaneamente. Quindi 00 ma anche 01, anche 10 o anche 11. In pratica se sono 2 ne fan 4, ma se son 4 ne fanno 16. Perciò con una manciata di Qbit possiamo rappresentare un numero elevatissimo di informazioni. Sembra pero esserci un problema di fondo: cosa mi interessa di avere un sistema che mi puo rappresentare 5000000 sfumature di grigio, quando al momento della misurazione diventa o bianco o nero? Tale problema viene in qualche modo aggirato dall’entenglement quantistico.

Computer Quantistico e entenglement

L’ entenglement è un processo per il quale se ho 2 Qbit (alfa e beta, per dire) questi rimarranno indissolubilmente interconnessi anche se separati e portati ai 2 estremi della galassia. Il fatto di avere 2 elementi assolutamente identici è molto comodo. Se un giorno decido di misurare lo stato di alfa, in questo modo rovinandolo irrimediabilmente, avrò ancora beta, di cui conosco lo stato che ho misurato su alfa. Torniamo un attimo ai Gate logici. In caso di Gate logico binario avremo 2 input ed un output. Se ad esempio gli input sono 0 e 1 ed il Gate logico è AND avrò come output 0 in quanto 0 AND 1 è uguale a 0. Nel caso di un Gate quantistico, le possibilità si moltiplicano esponenzialmente, rendendo di fatto calcoli di complessità elevatissime molto veloci.

Google e il Computer Quantistico

Dicevamo inizialmente che nel novembre 2019 Google ha raggiunto la supremazia quantistica. Con un computer quantistico da 53 Qbit si sono impiegati 3 minuti e 20 secondi per fare un calcolo che il super-computer tradizionale google avrebbe impiegato 10.000 anni a fare. Analogamente in frazioni di secondo si potranno svolgere ricerche su DB immensi o fare simulazioni prima inarrivabili. Chiaramente tale potenza di calcolo apre nuove porte ad esempio al cracking “brute force”, ovvero al metodo forza bruta. E’ una tecnica dove, tentativo dopo tentativo, si arriva a provare tutte le combinazioni possibili di un problema dato.

Brute Force, potenza assoluta

Con metodo forza bruta (o anche ricerca esaustiva), nella sicurezza informatica si indica un algoritmo di risoluzione di un problema dato che consiste nel verificare tutte le soluzioni teoricamente possibili fino a che si trova quella effettivamente corretta. Come si può immaginare questo pone definitivamente fine ad un epoca di crittografia come la intendiamo oggi. Non ci sarà più password abbastanza complessa o abbastanza “sicura” da essere al riparo da una potenza di calcolo del genere.

La crittografia con i Computer Quantistici

Se però da un lato la crittografia come la conosciamo non ha più senso, si apre la strada al sistema definitivo di crittografia tramite l’entenglement quantistico. Quando avremo tutti a disposizione qualcosa di quantistico nei nostri PC casalinghi, potremmo prendere 2 Qbit, “entanglementarli” ed avere la certezza che nessuno potrà mai decifrarli. Infatti, usando i “2 Qbit entenglementati” come chiavi di crittografia, una la tengo io e l altra la mando al mio corrispondente: se qualcuno la intercetta, per leggerla la distrugge. Così facendo si perde ogni possibilità di utilizzo. A questo punto io e la mia controparte useremo una nuova coppia di “Qbit entenglementati” per avere la certezza di non pote essere intercettati.

Bene amici lettori, spero che la lettura possa essere stata interessante. Con questo il vostro Sid vi saluta e vi da appuntamento su questo blog e sulla pagina facebook di Commodoreblog.com. Ora qualche consiglio per voi

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