Qubit

Quelli (anziani) come me che frequentavano la sala computer di ingegneria presso la Università La Sapienza di Roma, a San Pietro in Vincoli, lo ricordano ancora.
Sto parlando dell’Univac, il primo computer commerciale realizzato negli Stati Uniti che è stato una pietra miliare nella storia del computer, interamente progettato dalla Engineering Research Associates nel lontano 1953.
Grande quanto una stanza d’appartamento era un ammasso di ferro, di fili e circuiti su cui facevamo girare i nostri programmini in Fortran IV.
Il Fortran era un linguaggio progettato principalmente per il calcolo scientifico e numerico, ed utilizzava una successione ordinata di istruzioni scritte su schede perforate, fatte da una sequenza di “vero” e di “falso”, che equivalgono a 1 e 0 che poi una volta inserite venivano lette ed interpretare dal computer.

Poi venne il “glorioso” Commodor 64 (che conservo gelosamente) ad uso domestico. Dalle dimensioni ridotte e dalle capacità limitate di programmazione. Ha insegnato a programmare in basic a mezzo mondo informatico e ha fatto giocare ragazzini, e non, con semplici e divertenti programmini grafici.
Oggi, a distanza di soli 60 anni, (nulla rispetto al corso scientifico della storia), ci sono i moderni computer. Potenti e soprattutto piccoli e maneggevoli.

Cosa ci aspetta il futuro?
Il computer quantico.

Cosa è il computer quantico?
E’ un computer basato sul “qubit”.
Niente più chip miniaturizzati. Computer a nucleo atomico.

Diciamo subito cos’è un qubit.
E’ un bit speciale.

Cos’è un bit? Un modo per tirare fuori una informazione da una macchina.
Un bit rappresenta l’unità di misura della quantità d’informazione. Intuitivamente, equivale alla scelta tra due valori logici (sì/no, vero/falso, acceso/spento). In termini tecnici è una cifra binaria.
Una scelta tra due soli valori (0;1). Il numero 5 per esempio assume quattro valori (0101), il numero 9 assume i valori 1001 (4 bit).

Ogni CPU ha miliardi di transistor (switch) al suo interno che possono assumere solo due stati: aperto (1) o chiuso (0), e la composizione dello stato di tutti gli switch è usata dai processori e dal software per rappresentare valori numerici, testo, immagini, video ecc.

Nella pratica si usa il “byte“, corrispondente a 8 bit in grado di assumere 256 possibili valori (2 elevato alla ottava potenza).
Servono, infatti, per dare una idea,  circa 200 caratteri (valori) diversi, lettere accentate comprese, per scrivere un qualsiasi testo di una lingua occidentale, servono circa 200 livelli di intensità per riprodurre un suono abbastanza fedele.

La sequenza di 1 e di 0 mostrata qui sotto a 8 bit è il modo in cui un processore capisce quello che forse è il codice più famoso nel mondo della programmazione,
“Hello World”.
01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00100000 01010111 01101111 01110010 01101100 01100100

Ben presto i CPU passano dai 4 bit agli 8 bit, successivamente a 32 bit. Ora abbiamo processori a 64 bit (può gestire dati lunghi 18.446.744.073.709.551.616 byte, pari a circa 18,4 milioni di GB). Nel futuro forse a 128 bit.

Nella cartella del tuo compueter “Programmi”, Windows archivia tutti i file necessari a far funzionare i vecchi programmi a 32 bit. Già, perché ancora oggi molte applicazioni vengono scritte anche a 32 bit, oltre che a 64 bit.

Ora che abbiamo capito (più o meno) cos’è un bit passiamo al “qubit”
Qubit, è la contrazione di “quantum bit“, è il termine per indicare il “bit” quantistico ovvero l’unità di informazione quantistica.
I bit quantistici, o qubit, possono essere considerati i “mattoncini” che costituiscono l’architettura di un processore quantistico.

Per definire il qubit è indispensabile introdurre innanzi tutto il concetto nuovo di “quanto di informazione”, cioè la più piccola porzione in cui una qualsiasi informazione codificata può essere scomposta; è quindi l’unità di misura dell’informazione codificata.

Al pari del bit, il qubit è un oggetto matematico con determinate specifiche proprietà. Il vantaggio nel trattare i qubit come entità astratte risiede nella libertà di costruire una teoria generale della computazione quantistica che non dipende dagli specifici sistemi utilizzati per la sua realizzazione.

Per farla breve l’informazione quantica si basa direttamente sulle proprietà del nucleo di un atomo.

In sostanza, il nucleo di un atomo è una sorta di magnete estremamente debole, che può “puntare” in due direzioni naturali (spin), “su” e “giù”.
Nel bizzarro mondo della meccanica quantistica, questo magnete può essere in entrambi gli stati simultaneamente: è il cosiddetto principio di sovrapposizione quantistica.

Le direzioni naturali sono equivalenti allo zero e all’uno (0,1) di un codice binario, usato nei processori tradizionali.
Ebbene alcuni scienziati australiani sono riusciti a controllare la direzione del magnete, “scrivendo” a tutti gli effetti un valore del suo spin. E successivamente sono riusciti a “leggere” questo valore, rendendo di fatto il nucleo un qubit funzionante.
Così facendo si è reso possibile memorizzare e recuperare informazioni direttamente sullo spin magnetico di un nucleo atomico.

La importanza di tale scoperta è notevole.
E’ particolarmente importante perché apre la strada allo sviluppo dei computer quantistici, migliaia di volte più potenti e veloci di quelli tradizionali.
Nel caso specifico questo “precisissimo qubit” è stato realizzato su un chip di silicio, che può essere cablato e gestito elettricamente, proprio come i circuiti integrati tradizionali.

Il silicio è il materiale dominante nel settore della microelettronica e il dispositivo è compatibile con la tecnologia attuale ed è facilmente scalabile.

Questo aumenterà profondamente la capacità di eseguire calcoli complessi, una volta che si assembleranno insieme più di un “qubit”.

 

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