I CALCOLATORI
QUANTISTICI
Luglio 2003
I calcolatori quantistici - luglio 2003
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I CALCOLATORI ATTUALI SONO MILIONI DI VOLTE PIU’ POTENTI DEI
LORO ANTENATI. DI CONSEGUENZA LA TECNOLOGIA DEI CIRCUITI
INTEGRATI STA RAGGIUNGENDO I PROPRI LIMITI FISICI.
QUESTE DIMENSIONI PERO’ LA MATERIA COMINCIA A
COMPORTARSI COME UN AGGREGATO DI SINGOLI ATOMI E IL
FUNZIONAMENTO DEI CIRCUITI DIVENTA PROBLEMATICO:
E’ QUINDI NECESSARIO SOSTITUIRE O AFFIANCARE NUOVE
TECNOLOGIE ALLE ATTUALI.
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UN PO’ DI STORIA
• QUALCHE DECENNIO FA ROLF LANDAUER E CHARLES H.
BENNET, MEMBRI DEL THOMAS J. WATSON RESEARCH
CENTER DELLA IBM INIZIARONO A CHIEDERSI FINO A CHE
PUNTO SIA POSSIBILE RIMPICCIOLIRE I COMPONENTI DEI
CIRCUITI;
• NE EMERSE CHE ESSENDO I CALCOLATORI DISPOSITIVI
FISICI IL LORO FUNZIONAMENTO E’ DESCRITTO DALLA FISICA
QUINDI QUANDO I COMPONENTI DEI CIRCUITI DIVENTANO
PICCOLISSIMI, LA LORO DESCRIZIONE DEVE ESSERE
FORMULATA IN TERMINI QUANTISTICI.
• NEI PRIMI ANNI OTTANTA PAUL BENIOFF DELL’ARGONNE
NATIONAL LABORATORY DIMOSTRO’ TEORICAMENTE CHE UN
CALCOLATORE POTREBBE FUNZIONARE IN REGIME
QUANTISTICO PURO.
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• POCO DOPO DAVID DEUTSCH DELL’ISTITUTO DI MATEMATICA
DELL’UNIVERSITA’ DI OXFORD E ALTRI SCIENZIATI STATUNITENSI
COSTRUIRONO MODELLI DI CALCOLATORI QUANTISTICI PER
STUDIARNE LE DIFFERENZE RISPETTO A QUELLI CLASSICI.
• NELLA SECONDA META’ DEGLI ANNI OTTANTA, PER DIVERSI
MOTIVI, LE RICERCHRE LANGUIRONO.
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TUTTAVIA NELL’ULTIMO DECENNIO IL
QUADRO E’ CAMBIATO:
PETER W.SHOR DEGLI
AT AND T BELL
LABORATORIES HA
DIMOSTRATO CHE UN
CALCOLATORE
QUANTISTICO
POTREBBE
SCOMPORRE IN
FATTORI PRIMI NUMERI
MOLTO GRANDI
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NEL 1994, DURANTE UN
WORKSHIP TENUTOSI A
TORINO SONO STATI
PRESENTATI DIVERSI
PROGETTI DI
COMPUTER
QUANTISTICI
IL GRUPPO DI H. JEFF. KIMBLE
DEL CALTECH E QUELLO DI
DAVID J. WINELAND DEL NIST
HANNO COSTRUITO PROTOTIPI
DI ALCUNI DI QUESTI
COMPONENTI
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L’INFORMAZIONE QUANTISTICA
•
•
•
L’INFORMAZIONE SI PRESENTA IN QUANTITA’ DISCRETE COME I
LIVELLI ENERGETICI DI UN ATOMO IN MECCANICA QUANTISTICA: IL
QUANTO D’INFORMAZIONE SI CHIAMA BIT. UN BIT NON E’ ALTRO CHE
LA DIFFERENZA TRA 0 E 1
NEI CALCOLATORI DIGITALI LA TENSIONE TRA LE PIASTRE DI UN
CONDENSATORE RAPPRESENTA UN BIT DI INFORMAZIONE. UN
CONDENSATORE CARICO REGISTRA UN 1 E UNO SCARICO UNO 0
UN CALCOLATORE QUANTISTICO FUNZIONA FACENDO
CORRISPONDERE LA NATURA DISCRETA DELL’INFORMAZIONE
DIGITALE ALLA NATURA DISCRETA DELLA MECCANICA QUANTISTICA,
MA PER FUNZIONARE DA CALCOLATORE UN SISTEMA QUANTISTICO
NON PUO’ LIMITARSI A REGISTRARE BIT MA DEVE ANCHE
PERMETTERE ALL’OPERATORE DI AGIRE SUL SISTEMA
INTRODUCENDO INFORMAZIONE, ELABORANDOLA MEDIANTE
OPERAZIONI LOGICHE ED ESTRAENDOLA.
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ISIDOR ISAAC RABI (PREMIO NOBEL 1944) FU IL PRIMO A
INDICARE COME SCRIVERE L’INFORMAZIONE IN UN SISTEMA
QUANTISTICO:
•
•
IMMAGINIAMO UN ATOMO DI IDROGENO NELLO STATO
FONDAMENTALE, CUI CORRISPONDE UNA QUANTITA’ DI ENERGIA Eº.
PER SCRIVERE UN BIT 0 SU QUESTO ATOMO NON SIFA NULLA. PER
SCRIVERE 1 SI PORTA L’ATOMO A UN LIVELLO ENERGETICO
SUPERIORE, E¹. CIO’ SI OTTIENE IMMERGENDOLO IN UNA LUCE
LASER COSTITUITA DA FOTONI AVENTI ENERGIA PARI ALLA
DIFFERENZA TRA E¹ E E°. SE L’ATOMO SI TROVA GIA’ NELLO STATO
ENERGETICO ECCITATO LO STESSO IMPULSO LO FA PASSARE
NELLO STATO FONDAMENTALE. IN TERMINI DI REGISTRAZIONE DI
INFORMAZIONE, L’IMPULSO ORDINA ALL’ATOMO DI COMMUTARE IL
SUO BIT.
LEGGERE I BIT E’ UN PO’ COME FARLI COMMUTARE. SI PORTA
L’ATOMO A UN LIVELLO ENERGETICO ANCORA PIU’ ALTO E MENO
STABILE E², PER FAR CIO’ SI ESPONE L’ATOMO A UNA LUCE AVENTI
ENERGIA PARI ALLA DIFFERENZA TRA E¹ E E²; SE L’ATOMO E’ IN E¹,
VIENE PORTATO IN E² MA RITORNA SUBITO IN E¹ EMETTENDO UN
FOTONE.
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IL CALCOLO QUANTISTICO
•
•
I CIRCUITI ELETTRONICI SONO COSTITUITI DA ELEMENTI LINEARI
(COME CAVI, RESISTORI) E NON LINEARI (COME TRANSISTORI) CHE
OPERANO SUI BIT IN MODI DIVERSI. I DISPOSITIVI LINEARI
MODIFICANO I SEGNALI DI INGRESSO UNO PER UNO MENTRE I
DISPOSITIVI NON LINEARI FANNO INTERAGIRE I SEGNALI DI
INGRESSO CHE LI ATTRAVERSANO. I CIRCUITI EFFETTUANO
CALCOLI MEDIANTE LA RIPETIZIONE A GRAN VELOCITA’ DI POCHE E
SEMPLICI OPERAZIONI LINEARI E NON LINEARI.
UNA DI QUESTE OPERAZIONI ELEMENTARI E’ LA COMMUTAZIONE DI
UN BIT EQUIVALENTE ALL’OPERAZIONE LOGICA NOT. UN’ALTRA E’
COPY CHE ASSEGNA AL BIT SUCCESSIVO IL VALORE DEL
PRECEDENTE. QUESTE OPERAZIONI SONO ENTRAMBE LINEARI
PERCHE’ IL RISULTATO DIPENDE DAL VALORE DI UN SINGOLO
INGRESSO. AND INVECE E’ UN’OPERAZIONE NON LINEARE PERCHE’
L’USCITA DIPENDE DA QUALCHE TIPO DI INTERAZIONE TRA GLI
INGRESSI. I DISPOSITIVI CHE EFFETTUANO QUESTE OPERAZIONI
SONO CHIAMATE PORTE LOGICHE.
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• VERSO LA FINE DEGLI ANNI CINQUANTA SI RIUSCIRONO AD
EFFETTUARE SEMPLICI OPERAZIONI LOGICHE QUANTISTICHE SU DUE
BIT USANDO LO SPIN DELLE PARTICELLE MA DATO CHE QUESTI
STUDIOSI NON PENSAVANO ALLA LOGICA QUANTISTICA CHIAMARONO IL
FENOMENO DOPPIA RISONANZA; IN REALTA’ ESSI USAVANO LA DOPPIA
RISONANZA PER EFFETTUARE LE OPERAZIONI LINEARI NOT E COPY.
• IN SEGUITO BARENCO, DAVID DI VINCENZO DELLA IBM, TYCHO
SLEATOR DELLA NEW YORK UNIVERSITY E HARVALD WEINFURTER
DELL’UNIVERSITA’ DI INNSBRUCK HANNO DIMOSTRATO COME SI POSSA
SFRUTTARE LA DOPPIA RISONANZA ANCHE PER CREARE UNA PORTA
AND.
• CON QUESTE PORTE LOGICHE QUANTISTICHE COLLEGATE TRA LORO
SI POTREBBE COSTRUIRE UN COMPUTER QUANTISTICO.
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IL PROBLEMA DEI COLLEGAMENTI
•
•
•
COLLEGARE FRA LORO DUE PORTE A DOPPIA RISONANZA E’ COSA
DIFFICILISSIMA: IL CAVO DEVE ESSERE IN GRADO DI SMONTARE
L’ATOMO PER SPOSTARE A VOLONTA’ ELETTRONI E PROTONI E POI
DI RICOMPORLO E TUTTO SENZA MODIFICARE LO SPIN DELLE
PARTICELLE.
ESISTONO PERO’ ALTRE SOLUZIONI AL PROBLEMA DEI
COLLEGAMENTI: J. IGNACIO CIRAC DELL’UNIVERSITA’ DI CASTIGLIALA MANCIA IN SPAGNA E PETER ZOLLER DELL’UNIVERSITA’ DI
INNSBRUCK HANNO PROPOSTO UNO SCHEMA CHE ISOLEREBBE I
QBIT IN UNA TRAPPOLA IONICA. PRIMA DELL’ELABORAZIONE UN BIT
SAREBBE TRASFERITO SU UN REGISTRO COMUNE O BUS.
L’INFORMAZIONE IN ESSO CONTENUTA SAREBBE RAPPRESENTATA
DA UN MOTO OSCILLATORIO DI TUTTI GLI IONI DELLA TRAPPOLA.
IL GRUPPO DI WINELAND AL NIST HA COMPIUTO IL PRIMO PASSO
VERSO LA REALIZZAZIONE DI QUESTO CALCOLATORE QUANTISTICO
ESEGUENDO OPERAZIONI LINEARI E NON LINEARI SU BIT
CODIFICATI TRAMITE IONI E TRAMITE IL MOTO OSCILLATORIO. CI
SONO BUONE PROSPETTIVE DI COSTRUIRE CALCOLATORI A
TRAPPOLA IONICA CON POCHE DECINE O CENTINAIA DI BIT.
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COMPUTER QUANTISTICO:I VANTAGGI
SI POTREBBE USARE
UN CALCOLATORE
QUANTISTICO PER
SIMULARE IL
COMPORTAMENTO DI
QUALSIASI SISTEMA
QUANTISTICO
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UN CALCOLATORE
QUANTISTICO CON MOLTE
OPERAZIONI LOGICHE SU
MOLTI QUBIT DAREBBE
RISULTATI SOTTO FORMA DI
SOVRAPPOSIZIONE DI TUTTE
LE USCITE POSSIBILI DI
QUESTO CALCOLO. ESSO
ESEGUE QUINDI TUTTI I
CALCOLI IN UNA VOLTA,
QUESTO FENOMENO E’ STATO
CHIAMATO
“PARALLELISMO QUANTISTICO”
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COMPUTER QUANTISTICO:GLI SVANTAGGI
POICHE’ I CALCOLATORI
QUANTISTICI
DOVREBBERO ESSERE
FATTI DI MILIONI DI
ATOMI BASTEREBBE
DISTURBARNE UNO PER
COMPROMETTERE LA
COERENZA
QUANTISTICA
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I DIVERSI SISTEMI USATI
PER REGISTRARE ED
ELABORARE
L’INFORMAZIONE SONO
SOGGETTI A DISTURBI CHE
POSSONO ALTERARE I BIT
A CASO. I METODI CLASSICI
DI CORREZIONE DEGLI
ERRORI RICHIEDONO LA
MISURAZIONE DEI BIT MA
IN UN CALCOLATORE
QUANTISTICO QUESTA
OPERAZIONE PORTEREBBE
A PERDITA DI COERENZA
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