Il mondo della tecnologia e in particolare lo studio del cervello richiedono un cambio di paradigma scientifico. È necessario quindi abbandonare le leggi della fisica classica, che sono quelle che valgono per il mondo macroscopico, ed effettuare i calcoli in base alle leggi della quantistica che governano il comportamento dei componenti più piccoli dell’universo, come le particelle elementari e gli atomi.
Questo progresso avrà grandi ripercussioni sulla nostra vita e sulla scienza. Una di esse è già nell’ applicazione della simulazione fatta con computer quantistici dei sistemi complessi in cui l’interazione tra i componenti ed i milioni di variabili generate, a tutt’oggi non replicabile, è essenziale per comprendere il tutto, insieme a quella dei sistemi microscopici in cui le particelle possono essere descritte soltanto attraverso le leggi della fisica quantistica.
Simulare questi sistemi consente di studiare e conoscere molti fenomeni che oggi non riusciamo a decifrare: dalle dinamiche molecolari che danno luogo alla vita, ai meccanismi che soggiacciono a molti avvenimenti cosmologici oggi inspiegabili, fino alla coscienza umana. L’intelligenza artificiale, la biologia sintetica e la nanotecnologia sono così destinati ad avere sviluppi straordinari.
“Su piccola scala, il comportamento degli atomi non assomiglia affatto a ciò che osserviamo su grande scala, perché soddisfa le leggi della meccanica quantistica. Quindi via via che scendiamo e giocherelliamo con gli atomi, stiamo operando con altre leggi, e possiamo sperare di fare cose diverse”. Ha scritto nel lontano 1956 il precursore della computazione quantistica Richard Feynman, premio Nobel nel 1965 che propose di utilizzare le leggi della meccanica quantistica per creare un nuovo tipo di computer molto potente, oggi noto come computer quantistico.
“La natura non è classica e, per simularla, occorre farlo con la meccanica quantistica“.
Il teletrasporto esiste già di fatto e viene utilizzato per trasmettere informazione tra due punti distanti. Ad oggi è unicamente possibile trasportare informazione, non materia. In un computer quantistico l’informazione viene immagazzinata in qubit la cui implementazione fisica può essere un atomo o un circuito di corrente.
Se vogliamo trasmettere quell’informazione dall’altra parte del mondo dobbiamo muovere fisicamente il qubit, cosa che non si può fare perché ne causerà la perdita delle caratteristiche quantistiche: la cosiddetta decoerenza. In un futuro saranno quindi i computer quantistici presenti ovunque a trasmettere le informazioni tra di loro.
L’idea è che due computer situati in luoghi diversi si comportino come una sola unità dando luogo ad una capacità di calcolo decisamente maggiore. La capacità di un computer quantistico aumenta esponenzialmente via via che aumenta il numero di qubit che integra, conseguentemente si otterrà un processore la cui potenza non è semplicemente la somma dei due ma bensì molto di più.
Si consideri che, costruire una macchina con soli dieci qubit è un compito davvero complicato, via via più difficile per ogni qubit che viene aggiunto. Tanto maggiore è il numero di qubit quanto più difficile è infatti mantenere la coerenza quantistica. Arrivare oggi a costruire un computer con centinaia di qubit è qualcosa che va al di là degli attuali limiti umani tecnologici.
Il teletrasporto quantistico tende ad aggirare l’ostacolo mettendo in connessione diverse unità con pochi qubit generando una rete di computer con una capacità di elaborazione molto maggiore di quella di uno qualsiasi dei suoi componenti, e persino della somma di tutti quanti.
Quando si parla di teletrasporto quantistico si pensa subito al telefilm “Star Trek” con il trasferimento di persone. Il teletrasporto quantistico trasmette invece soltanto informazione, non materia, quindi, in linea di massima, non può essere utilizzato per far scomparire qualcuno da un posto e farlo ricomparire in un altro. Tuttavia è possibile che il teletrasporto quantistico ci aiuti a far diventare realtà il teletrasporto di oggetti, anche se dovrebbe essere utilizzato insieme con altre tecnologie.
Supponiamo, ad esempio, si voglia teletrasportare un atomo: il teletrasporto ci consente di trasferire il suo stato ma non l’atomo in sè. Tale limite potrebbe essere superato se si disponesse di un altro atomo simile, nel luogo in cui lo vogliamo teletrasportare, da modificare fino a portarlo nello stesso stato quantistico dell’atomo di partenza.
Il processo si complica e non poco con una molecola. Prima di tutto bisognerebbe assemblarne una identica nel luogo in cui si vuole teletrasportarla, poi usare il teletrasporto quantistico per trasmettere le sue proprietà. Impossibile procedere facendo una copia completa dall’inizio perché in generale, in base al teorema di no-cloning, è impossibile riprodurre una copia perfetta di uno stato quantistico. Il fatto di misurare lo stato della molecola lo modificherebbe e la copia non sarebbe perfetta.
L’applicazione della computazione quantistica alla biologia consentirà una migliore comprensione delle interazioni tra le molecole del nostro corpo, cosa che aiuterà a scoprire nuove cure per ogni tipo di malattia. Oggi conosciamo a fondo la molecola del DNA ma sappiamo poco circa le proteine che sintetizza. Non si sa come si ripieghino o come interagiscano tra loro, neanche come vengano trasportate.
L’apparato di Golgi, che si occupa di distribuirle dentro e fuori la cellula, è ancora un mistero. Si sospetta, ad esempio, che gli enzimi utilizzino l’effetto tunnel quantistico per il trasferimento di elettroni su lunghe distanze. L’effetto tunnel è la possibilità delle particelle microscopiche di attraversare barriere che secondo la fisica classica sono impossibili da superare.
Comprendendo tramite la computazione quantistica i movimenti e i processi cellulari, si potranno costruire robot molecolari programmabili per effettuare qualsiasi compito, come ad esempio l’eliminazione dei tumori. Nel 2017 alcuni scienziati sono riusciti a far ringiovanire dei ratti a forza di modificare la proteina che regola il “suicidio” cellulare.
Un computer quantistico riuscirebbe a mettere alla prova questo tipo di terapie prima di applicarle ai pazienti, individuando gli effetti collaterali e le reazioni inaspettate. In questo modo si potrebbero creare terapie personalizzate basate sul codice genetico di ogni singolo individuo.
Altro settore in cui la computazione quantistica comporta già un salto qualitativo è quello dell’intelligenza artificiale. Attualmente la tecnica più utilizzata per costruire macchine intelligenti è quella delle reti neurali che copiano la struttura del cervello con una serie di neuroni artificiali, connessi tra loro, che emettono o meno un segnale a seconda degli stimoli ricevuti. Mancano però di capacità, limitata dal numero di neuroni di cui dispone la macchina, e di velocità.
I computer quantistici avranno queste caratteristiche, potendo immagazzinare più di un modello alla volta ed avranno una capacità enorme, esponenzialmente immensa rispetto ai computer classici, con anche una straordinaria accelerazione sostanziale dei processi.
La comparsa di circuiti quantistici di intelligenza artificiale darà luogo all’avvento di macchine straordinariamente intelligenti. I cervelli di tali macchine potranno essere ridotti a misure finora impensabili, con il vantaggio aggiunto di ridurne il consumo energetico. Indosseremo così indumenti con avanzate funzioni computazionali incorporate; con un pugno di atomi potremo costruire macchine e dispositivi di enorme intelligenza e in grado di realizzare funzioni come ad esempio monitorare la qualità dell’aria o del nostro stesso sangue.
Il riconoscimento di modelli è già peraltro in uso per individuare i tumori in modo più mirato di quanto non facciano gli esperti umani, (l’aumento della capacità diagnostica modificherà radicalmente la professione medica così come oggi la conosciamo).
Le macchine quantistiche troveranno schemi nei mercati finanziari che ci indicheranno come sfruttarli per ottenere guadagni economici, saranno quindi eccellenti analisti finanziari.
Qualsiasi settore che utilizzi le macchine quantistiche sarà letteralmente rivoluzionato. Il riconoscimento quantistico di modelli ha potenzialità praticamente illimitate. Ed è estremamente probabile che il suo arrivo, secondo la cosiddetta legge di Moore è databile nel 2030, segni l’inizio della cosiddetta “singolarità tecnologica”, vale a dire il momento in cui ci saranno computer più intelligenti di noi esseri umani.
Allora saranno gli stessi computer a progettare e costruire nuove macchine ancora più avanzate senza bisogno dell’intervento umano. L’umanità potrà in quello stato considerarsi l’artefice di un nuovo tipo di coscienza.
I computer quantistici sono destinati infatti non solo ad aumentare drasticamente la capacità di elaborazione disponibile ma apriranno le porte a ogni tipo di compito che fino a questo momento a noi risulta impossibile.
