A differenza dei computer classici, che memorizzano le informazioni
come bit (cifre di 0 o 1), i computer quantici codificano le
informazioni in bit quantici o qubit. Queste particelle
subatomiche, grazie alle leggi della meccanica quantistica, possono
esistere in due stati diversi - 0 e 1 - allo stesso tempo.
Memorizzare più esiti diversi in un singolo qubit potrebbe
far risparmiare una tonnellata di memoria rispetto ai computer
tradizionali, specialmente quando si tratta di fare previsioni
complicate.
In uno studio pubblicato il 9 Aprile sulla rivista Nature
Communications, Mile Gu, un assistente professore di fisica alla
Nanyang Technological University di Singapore, insieme ai suoi
colleghi, usando un nuovo simulatore quantistico ha dimostrato di
essere in grado di prevedere i risultati di 16 diversi futuri.
Questi possibili futuri sono stati codificati in un singolo fotone
(una particella di luce quantistica) che si spostava su più percorsi
contemporaneamente mentre passava attraverso diversi sensori. Poi, i
ricercatori hanno sparato due fotoni, e hanno monitorato il modo in
cui i potenziali futuri di ciascun fotone sono stati divergenti in
condizioni leggermente diverse.
È possibile
generare contemporaneamente tutti i futuri possibili e osservarli
tutti, per scegliere quello migliore?
Nella realtà
macroscopica, quella che conosciamo e che è dominata dalle leggi
della fisica classica, sicuramente no. Ma gli scienziati, oggi, hanno
provato a farlo nel mondo invisibile dell’infinitamente piccolo
attraverso il computer quantistico. Un gruppo coordinato
dall’università di Griffith ha sviluppato un prototipo di
dispositivo quantistico che è in grado di generare
contemporaneamente tutti gli scenari futuri possibili – in questo
caso non si tratta di situazioni reali ma di stati quantistici.
Non si tratta di
prevedere il futuro ma di produrre simultaneamente, attraverso un
complesso algoritmo quantistico, tutti i potenziali esiti di una
determinata operazione, per poter scegliere al meglio.
In
ogni istante moltissime possibilità
Ogni scelta che ci
si presenta può portare a diversi esiti: ad esempio nel film Sliding
doors si vedono scorrere due futuri molto diversi. Moltiplicate
il tutto per il numero di scelte che si presentano in ogni istante e
avrete un’idea di quanti possibili futuri esistono ogni giorno.
“Quando pensiamo
al futuro” - sottolinea Mile Gu, che ha sviluppato
l’algoritmo quantistico alla base del prototipo - “ci
confrontiamo con una vasta gamma di possibilità. Queste possibilità
crescono esponenzialmente in ogni istante, mano a mano che si va nel
futuro.
Anche se avessimo
soltanto due diverse strade da scegliere ogni minuto, in meno di
mezz’ora si sarebbero creati 14 milioni di possibili futuri”.
Insomma, si tratterebbe di un mare di futuri che non conosciamo.
Una
sovrapposizione quantistica
Gli autori hanno
realizzato un dispositivo che potesse riprodurre una sovrapposizione
quantistica. Per farlo hanno sviluppato un particolare processore
quantistico, in cui i possibili esiti (dunque i futuri) di un
determinato processo decisionale sono rappresentati dalla posizione
dei fotoni, i quanti di luce.
Studiando questa
sovrapposizione di stati fisici, puramente teorici, gli autori,
partendo da considerazioni matematiche, hanno sviluppato l’algoritmo
capace di esaminare tutti questi futuri.
È quanto avviene
nel caso ampiamente studiato del gatto di Schrödinger, che si
trova in una scatola e che è contemporaneamente vivo e morto: lo
stato di vita e quello di morte rappresentano una somma matematica e
sono entrambi possibili con la stessa probabilità. E soltanto quando
si verifica un intervento dall’esterno, cioè un osservatore apre
la scatola – in altre parole si compie una scelta – si determina
con certezza se il gatto è vivo oppure morto. Questo è quanto hanno
realizzato i ricercatori, ma non solo con due futuri possibili, ma
con tanti futuri.
"Immagina che
ci sia una scatola, e al suo interno c'è una moneta", ha
spiegato Gu. "Ad ogni fase del processo, qualcuno scuote un la
scatola e la moneta ha una piccola probabilità di essere lanciata."
A differenza di un
lancio di monete tradizionale, in cui il risultato ha sempre le
stesse possibilità di essere testa o croce, il risultato di ogni
lancio di moneta perturbato dipende dallo stato in cui si trovava la
moneta durante il passaggio precedente.
Tanti
futuri possibili
Gli scienziati hanno
dimostrato che il dispositivo riproduce i vari futuri possibili,
ognuno con la sua probabilità di accadere. In altre parole,
realizza una sovrapposizione quantistica di multipli futuri
potenziali. E ciascun futuro è associato a un certo peso, ovvero a
una probabilità che possa verificarsi. Attualmente il prototipo
riesce a simulare al massimo 16 futuri possibili, mentre in linea
teorica l’algoritmo sottostante ne può generare numerosissimi. E
il risultato va verso lo sviluppo di computer quantistici ancora più
potenti.
Per determinare il
funzionamento del dispositivo gli autori si sono basati sulle teorie
del premio Nobel per la fisica Richard Feynman. L’idea è
questa: quando una particella viaggia da un punto A ad un punto B,
non segue necessariamente un singolo percorso. “Al contrario,
percorre simultaneamente tutte le strade possibili che la collegano
al punto di arrivo”, spiega la coautrice Jayne Thompson
della Nanyang Technological University a Singapore. “Il nostro
lavoro studia in maniera estesa questo fenomeno e lo manipola in modo
da realizzare un modello statistico di questi futuri possibili”.
L’intelligenza
artificiale
“Il nostro
approccio consiste nel mettere insieme una sovrapposizione
quantistica di tutti i possibili futuri per ciascun processo
decisionale”, aggiunge Farzad Ghafari, ricercatore
dell’Università di Griffith, che ha coordinato lo studio. “Facendo
interferire queste sovrapposizioni l’una con l’altra, riusciamo
ad evitare di osservare singolarmente ciascun futuro possibile, uno
alla volta”.
L’autore spiega
che molti algoritmi di intelligenza artificiale, sviluppati oggi,
riescono a osservare che piccoli cambiamenti nel loro comportamento
possono portare a esiti futuri molto differenti. “Per questo, le
nostre tecniche – chiarisce Ghafari – possono permettere a questi
sistemi quantistici di intelligenza artificiale di imparare in
maniera più efficiente l’effetto delle loro azioni”. In altre
parole, in futuro questi sistemi potrebbero essere in grado di
studiare le conseguenze delle loro azioni e regolarsi in base a
questa conoscenza: un obiettivo da sempre agognato da noi esseri
umani, ma per noi impossibile da raggiungere.
Un giorno, man mano
che i computer quantici diventano più grandi, più potenti e più
comuni, ha dichiarato Gu, simulatori come questo potrebbero essere
espansi per vedere infiniti futuri in una sola volta.
https://www.wired.it/scienza/lab/
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