Come costruire il
computer del futuro
Antonello Scardicchio (ICTP, Trieste)
Sommario
• Il calcolo automatizzato
• Macchine di Turing
• Dai computer a valvole al transistor
• Dall’elettronica alla meccanica quantistica
Lo speaker
Laurea 2001, Universita’ di Bari
PhD 2006, Massachusetts Institute of
Technology
2006-2009 Princeton University
2009-oggi ICTP, Trieste
Cosa vuol dire
calcolare?
• Calcolare: determinare una quantita’ seguendo
regole matematiche
Alcuni calcoli si possono
automatizzare, cioe’ farli fare a
macchine invece che a persone
La Pascalina, creata da Blaise Pascal nel
1642, faceva somme, sottrazioni
moltiplicazioni e divisioni
Il calcolo automatico
Nel1600...
234+780
Input
1014
Output
La macchina risolve un problema senza intervento umano
Utilizzando un gioco
di ruote dentate
Il calcolo automatico
• Esistono macchine, anche precedenti,per
risolvere compiti specifici
• Es. il sestante per determinare la posizione
degli astri e/o la latitudine dell’osservatore o
il regolo calcolatore per eseguire operazioni
Ma e’ possibile che esista una
macchina universale?
Il calcolo automatico
Agli inizi del ‘900 vari matematici pensarono seriamente a cosa
vuol dire “calcolare” e “provare un teorema” e svilupparono
interessanti risultati
K.Godel
A.Turing
J.Von Neumann
A.Church
Il calcolo automatico
Alan Turing e’ una figura prominente in questa storia
Il calcolo automatico
Macchina
di Turing
Turing teorizza una
macchina in grado di
risolvere qualunque
problema algoritmico
Stato interno
della
macchina
Testina lettura/
scrittura
0 0 1 1 0 1 0
bit
Nastro
Il calcolo automatico
Alan Turing pose le basi teoriche per la costruzione di
calcolatori universali
Per fare cio’ diparti’ da un modello meccanico e teorizzo’
un nuovo modello di calcolatore, per realizzare il quale era
necessario controllare altri fenomeni fisici
La matematica in questo caso
ha bisogno della fisica
I primi calcolatori a valvole
E la fisica qualche anno prima ha trovato proprio quello che
ci vuole:
I primi componenti elettronici
Valvola termoionica permette alla
corrente di girare solo in un
determinato senso all’interno di un
circuito elettrico: e’ il primo
componente elettronico non lineare
I primi calcolatori a valvole
Tramite le valvole e’ possibile
controllare i livelli di voltaggio nel
circuito
Due livelli di voltaggio: bit
V
1
1
0
1
0
0
t
I primi calcolatori a valvole
Manipolando appropriatamente i due livelli di voltaggio si
puo’ creare una macchina di Turing universale
ENIAC computer (1948)
Programmatrici
I primi calcolatori a valvole
L'ENIAC impiegava 18.000 valvole termoioniche, collegate da 500.000 contatti
saldati manualmente, 1.500 relè e dissipava in calore una potenza termica di
circa 200 kW. Ciò creava seri problemi di affidabilità perché il grande calore
generato faceva bruciare le valvole con la frequenza di una ogni 2 minuti. Lo
stress termico era maggiore soprattutto durante le fasi di accensione e di
spegnimento del calcolatore, per cui venne deciso di lasciarlo sempre in
funzione. Questo provvedimento, insieme all'adozione di valvole più affidabili a
partire dal 1948, fece ridurre la frequenza di rotture ad una media di una ogni
due giorni, con un periodo massimo di 116 ore ininterrotte nel 1954. Si calcola
che, nel periodo in cui l'ENIAC è stato in funzione, abbia richiesto la
sostituzione di 19.000 valvole termoioniche.
(da Wikipedia)
Il transistor
Siccome le valvole costavano e si rompevano spesso, ed i
computer occupavano stanze intere il prossimo passo fu quello di
cercare di ridurne la dimensione ed aumentarne l’affidabilita’
Per fare cio’ si dovette
inventare una nuova
tecnologia: il transistor a
semiconduttore
Bardeen, Brattain, Schockley (1948)
Il transistor
Siccome le valvole costavano e si rompevano spesso, ed i
computer occupavano stanze intere il prossimo passo fu quello di
cercare di ridurne la dimensione ed aumentarne l’affidabilita’
Per fare cio’ si dovette
inventare una nuova
tecnologia: il transistor a
semiconduttore
Bardeen, Brattain, Schockley (1948)
Il transistor
Il transistor sebbene si basi su un fenomeno fisico
completamente differente dalla valvola termoionica, viene
usato praticamente nello stesso modo
Controllando il voltaggio in
un circuito possono essere
usati per svolgere calcoli
V
1
1
0
1
0
0
t
Il transistor
I transistor possono essere miniaturizzati
In questo Intel core i7 ci
sono circa 1,000,000,000 di
transistors
Computer moderni
La miniaturizzazione e la riduzione dei costi dei computer
ha plasmato la societa’ moderna
L’elenco delle applicazioni dei computer e’ illimitato ma
alcuni compiti, sebbene algoritmici, risultano tutt’ora fuori
dalla portata di moderni computers
Ci servono computer sempre piu’ potenti
Computer moderni
Crittografia
Progettazione: idrodinamica
Ricerca: chimica, farmaceutica
Sono tutti compiti difficili
anche per i computer
moderni!
Ricerca: fisica
Il computer del futuro
Transistor e valvole sono molto diversi ma fanno
essenzialmente la stessa cosa: manipolano il voltaggio
elettrico all’interno di un circuito elettrico
Ma chi ha detto che questo e’ il modo piu’ efficace per fare
di conto?
E se guardassimo a qualcosa di completamente diverso?
Il computer del futuro
Un indizio su quale fenomeno fisico utilizzare viene dalla
seguente osservazione
Nel mondo microscopico i
fenomeni seguono le leggi della
meccanica quantistica
Vogliamo descrivere una molecola complessa, diciamo che
ha N=100 livelli energetici e M=40 elettroni
Tale molecola e’ descritta da un vettore (funzione d’onda) con
13,746,234,145,802,811,501,267,369,720
componenti
Il computer del futuro
Se volessimo anche solo scrivere un tale vettore su un
computer ci servirebbe una memoria RAM di circa
800,000,000 GB
Che e’ piu’ o meno la memoria di tutti i telefonini del
mondo o di tutti i PC in Italia
Capite quindi che e’ un problema complicato anche nel 2015
La meccanica quantistica
Da dove viene questa complessita’?
Viene dal fatto che nel mondo microscopico succedono
cose strane...
Un elettrone puo’ stare con
una certa probabilita’ in
ognuno di questi livelli
=(
2
1
+
2
2
+
2
3
1,
+
2
4
2,
=1
3,
4)
Vettore delle ampiezze
di probabilita’
Descrizione classica: 2 bit
La meccanica quantistica
Bisogna tenere conto del fatto che un elettrone puo’
essere in una “sovrapposizione di stati” ovvero mai con
certezza in un dato stato della molecola
R.Feynman
“Ma forse questo problema puo’ essere in realta’ una risorsa!
Se riuscissimo a controllare sistemi microscopici anche di
complessita’ contenute potremmo costruire dei computer
potentissimi!”
La meccanica quantistica
La meccanica quantistica ci apre le porte di una nuova era
computazionale
Possiamo pensare a macchine di Turing che agiscono
secondo le leggi della meccanica quantistica e che, invece di
operare su nastri (memoria RAM) operano direttamente su
funzioni d’onda di sistemi fisici
Il computer quantistico
Macchina
di Turing
quantistica
Stato interno
della
macchina
Una macchina in grado di
operare su funzioni
d’onda
Testina lettura/
scrittura
=(
quantum bit
000 ,
001 ,
010 , ...,
111 )
Il computer quantistico
Non abbiamo ancora realizzato un computer quantistico
pero’ sappiamo che, una volta realizzato, sara’ piu’ efficiente
in molti compiti
I 100 livelli potranno essere studiati con
100 qubit, e non 800,000,000 GB
Potremo studiare con piu’ successo la struttura della
materia a distanze microscopiche
Il computer quantistico
Crittografia
Codici crittografici potranno essere decrittati con facilita’
P. Shor (MIT) ha dimostrato che un computer
quantistico puo’ risolvere un particolare
problema (fattorizzazione di numeri interi)
molto piu’ velocemente di un computer
classico
La fattorizzazione e’ alla base dei codici
crittografici a chiave pubblica piu’ usati
Il computer quantistico
Ora non ci rimane altro da fare che costruirlo!
I primi tentativi sono incoraggianti ma sono ancora lontani
dall’obiettivo
L’investimento in ricerca su
questi argomenti sta
aumentando giorno dopo giorno
Il computer quantistico
Chi sara’ il primo a costruire un quantum computer?
Come cambiera’ la nostra societa’?
Cosa succedera’ all’intelligenza artificiale?
Tenetelo a mente: questa e’ una delle grandi sfide del
nostro tempo e i protagonisti potrebbero essere tra di voi
