Ricercatori IBM: passi da gigante con i computer quantistici

I computer quantistici sono oramai una realtà sempre più prossima e i ricercatori IBM hanno mosso il primo passo verso quello che promette essere un futuro pieno di novità interessanti in questo e in altri campi correlati. Sono state calcolate le caratteristiche, attraverso questi computer, di alcune molecole tra cui la molecola più grande fin ora simulata, spianando la strada verso possibili scoperte future riguardo sostanze e materiali in svariati campi.

Ma andiamo con ordine: cosa sono i computer quantistici? Come già spiegato in un nostro precedente articolo sul funzionamento del computer quantistico, essi rappresentano il passo successivo nello sviluppo della tecnologia che ad oggi conosciamo. Da quando ci si è resi conto – verso la fine degli anni ’50 – delle incredibili potenzialità dell’elettronica e dell’informatica, queste hanno seguito – fino agli inizi di questo nuovo millennio – la cosiddetta legge di Moore, secondo la quale la densità dei transistor nei processori dei computer e la relativa velocità di calcolo di questi raddoppierebbero ogni 24 mesi (una prima versione della legge sosteneva che il tempo necessario fosse di 18 mesi). Tuttavia da oramai qualche anno, precisamente già dall’inizio degli anni duemila, i progressi in termini di prestazioni sono dovuti esclusivamente a delle nuove strutture e combinazioni dei componenti nei microprocessori. Questo perché si è giunti, infine, a un limite dimensionale posto sulla soglia della quantistica; ossia la miniaturizzazione dei componenti e dei transistor non può spingersi oltre senza andare a incrociarsi con le sfide e i problemi delle particelle elementari.

Tuttavia già dagli anni ’80 si intravide la possibilità di sfruttare questo “limite” per sviluppare una potenza di calcolo nettamente superiore a quella dei classici processori. Infatti nei computer quantistici i normali bit, ossia le unità d’informazione classica, che possono assumere valore 0 o 1 (“acceso” o “spento”), vengono sostituiti dai qubit cioè le unità d’informazione quantistica. Questi aumentano le possibilità di codificare le informazioni e rendono possibile la risoluzione di problemi estremamente complessi potendo assumere molti più valori e quindi conservando molta più informazione per ogni singolo qubit grazie a degli specifici fenomeni quantistici che entrano in gioco come l’interferenza tra due particelle, la sovrapposizione di stati in cui esse si trovano o l’entaglement, ossia una stretta correlazione tra gli stati in cui si trovano le particelle che si può verificare anche dopo che queste abbiano interagito. Tuttavia lo sviluppo dei computer quantistici è ancora agli albori dal momento che non è facile manipolare le particelle e le loro interazioni in maniera controllata.

Quest’anno, i ricercatori IBM hanno fatto un ulteriore passo in avanti utilizzando 6 qubit per simulare e analizzare tre molecole: idrogeno (H₂), idruro di litio (LiH) e idruro di berillio (BeH₂). Per prima cosa, la disposizione elettronica delle molecole è stata codificata nei computer per poi utilizzare uno speciale algoritmo per portare le molecole a livelli energetici più bassi. Questo algoritmo è stato utilizzato in modo iterativo finché il computer non ha trovato il livello energetico più basso possibile della loro configurazione elettronica per le tre molecole, una misura fondamentale in tantissime applicazioni chimiche.

Questa simulazione quantistica operata dai ricercatori IBM rappresenta al momento un record mondiale. L’idruro di berillio è, infatti, la più grande molecola mai simulata fin ora. Questo grande passo in avanti tuttavia non è esente da complicazioni, infatti, come facilmente prevedibile, più qubit si utilizzano più il sistema diventa instabile e difficile da controllare a causa anche di variazioni di temperatura o fluttuazioni magnetiche che possono verificarsi durante il processo. Nonostante il risultato, dunque, possa risultare un po’ grossolano al momento si tratta di un successo enorme anche in vista delle future applicazioni.

Ma quali possono essere queste applicazioni? La simulazione di molecole complesse è un traguardo non raggiungibile tramite i computer convenzionali, tuttavia lo sviluppo e il miglioramento dei computer quantistici renderà questo obiettivo accessibile, come mostrato dai ricercatori IBM. Si potranno dunque fare enormi passi in avanti nell’analisi di molecole molto più grandi e complesse in svariati ambiti. In ambito chimico, farmaceutico o biomedico ad esempio si potranno studiare le interazioni e i comportamenti di molecole o proteine che possono contenere anche centinaia di atomi o addirittura scoprire e simulare nuovi composti e materiali.

Questa simulazione, per adesso, è solo un esempio basilare di problema complesso che in futuro sarà possibile affrontare con l’utilizzo di computer quantistici.  Nonostante tutto rappresenta un primo enorme passo verso obiettivi futuri e sempre più innovativi.
Insomma, proprio come vi avevamo preannunciato, il 2017 è stato l’anno della svolta e i ricercatori IBM ci stanno mostrando la strada.