Le promesse del quantum bit

Con l'espressione Quantum Computing si fa riferimento alle prospettive di applicazione della fisica quantistica nel campo delle macchine per il calcolo automatico. Sono molte le aspettative riposte in questo ambito e altrettante sono le problematiche che ancora attendono una soluzione definitiva.

Il principio di sovrapposizione

I paradossi della fisica quantistica sembrano riservare grandi opportunità alle macchine informatiche. Consideriamo ad esempio il principio di sovrapposizione in base al quale oggetti di dimensioni microscopiche possono permanere in uno stato bivalente non definito; cerchiamo di capire come passare dal gatto di Schrodinger ad applicazioni concrete nel campo digitale.

Esempi quotidiani

Quando ci si sforza di trovare esempi nella quotidianità che aiutino a capire e spiegare le peculiarità della fisica atomica, si corre sempre il rischio di incappare in grossolani errori che riducono e banalizzano la realtà dei fatti. Nel caso del principio di sovrapposizione sono state ideate diverse similitudini allo scopo di rendere il concetto più comprensibile e uno degli esempi più riusciti è, senza dubbio, quello della moneta che si usa nel gioco Testa o Croce. Prima di posarsi sul piano verso il quale è destinata a precipitare, proprio mentre essa ruota in aria, il suo stato è indefinito, continua cioè ad oscillare in un stato di sovrapposizione Testa/Croce.
Come già detto, ogni esempio che miri a spiegare i paradossi quantistici con oggetti quotidiani, risulterà sempre una forzatura: la fase di rotazione della moneta, infatti, non è un'efficace analogia del principio di sovrapposizione, in quanto mentre la moneta ruota, le sue due facce rimangono distinte e separate. Nel caso di una particella, invece, lo stato di sovrapposizione è a tutti gli effetti una condizione di completa coesistenza di stati diversi, indistinguibili e indeterminabili se non all'atto della misura vera e propria.

Il quantum bit

A questo punto appare inevitabile che, qualora si desse vita a una struttura di informazione di tipo quantistico, sarebbe necessario rigettare anche la classica schematizzazione del bit inteso come rappresentazione binaria mutuamente esclusiva. Se per creare informazioni elementari si passasse ad usare stati fisici quali lo spin di un elettrone o la polarizzazione di un fotone, la definizione di bit dovrebbe cedere il posto ad una più ricca definizione di qubit (quantum bit).

Gli stati dell'elettrone: il numero quantico di spin

Cerchiamo di capire con semplici esempi quali grandi opportunità scaturirebbero da quanto detto. Poiché l'elettrone può trovarsi in uno stato indefinito, cioè in una sovrapposizione di stati che possiamo rappresentare tramite i simboli tipici della fisica quantistica, cioè Spin Su e Spin Giù, allora attribuendo allo stato Spin Su il valore binario 0 e allo stato Spin Giù il valore binario 1, si perverrà alla conclusione che il sistema elettrone si trova in uno stato che rappresenta la sovrapposizione dell'informazione 0 e dell'informazione 1.
Estendiamo adesso il ragionamento immaginando di costruire un registro costituito da due elettroni, i cui stati stabili di spin saranno quattro corrispondenti ai quattro stati binari (00, 01, 10, 11). Laddove il registro non si trovi in uno stato definito, ma in sovrapposizione di stati, si dovrà necessariamente concludere che il sistema costituito da una coppia di elettroni si troverà in uno stato che rappresenta tutte le possibili sovrapposizioni degli stati delle coppie, cioè 00, 01, 10, 11. In conclusione, in un registro a due celle, possono convivere in stato di sovrapposizione tutti e quattro gli stati indicati perciò, mentre per registrare i quattro valori indicati nel sistema binario classico occorrerebbero quattro registri a due celle, in un sistema quantistico i quattro valori indicati sono contenibili in un solo registro a due celle.