Comprendere il caos con l’ausilio dei computer quantistici

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Un computer quantistico per generare contemporaneamente tutti i futuri possibili. 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. Un gruppo di fisici è riuscito a realizzare un dispositivo che genera tutti questi futuri.

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 un 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.

Computer quantistico e futuri possibili

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 della Nanyang Technological University a Singapore, 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, come spiega l’esperto. “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

Partendo da queste considerazioni matematiche, gli autori hanno sviluppato un algoritmo che possa esaminare tutti questi futuri. Come? Attraverso una sovrapposizione quantistica, ovvero studiando una sovrapposizione di stati fisici, puramente teorici. 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. Gli autori hanno realizzato un dispositivo che potesse riprodurre questa 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.

Tanti futuri possibili

Gli scienziati hanno dimostrato che il dispositivo riproduce 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 ad una probabilità che possa verificarsi. Un po’ come quando il gatto di Schrödinger era vivo e morto con una probabilità identica per entrambi i futuri possibili. Tuttavia, in questo caso gli stati studiati sono ben più di due, e ognuno è associato ad un peso (una probabilità) corrispondente. 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”.

Un aiuto per 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.

Il risultato è pubblicato su Nature Communications.

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