Il futuro della tecnologia passa dal gatto di Schrodinger

Come un gatto cambierà il mondo della computazione e dell'informazione grazie allo strano fenomeno della sovrapposizione quantistica.

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Quando parlo di fisica quantistica, la domanda che mi viene rivolta più spesso è: ma il gatto di Schrodinger è vivo o morto? Partendo dal presupposto che quel gatto, se mai fosse esistito, adesso sarebbe sicuramente morto, visto che si parla di un esperimento vecchio ottantaquattro anni, posso rassicurare tutti gli animalisti: nessun animale è stato maltrattato per raggiungere questo risultato strabiliante.
Si è trattato di un esperimento concettuale cioè una sperimentazione dove le conseguenze delle teorie prese in esame sono soltanto immaginate. È un esperimento molto particolare che avviene in un laboratorio altrettanto particolare: il cervello. Tali condizioni, molto spesso, non possono essere riprodotte nella realtà per vari motivi, che siano tecnologici o perché si riferiscono ad eventi validi solo nel mondo quantistico, ossia un mondo talmente piccolo da essere influenzato dalle stesse particelle che compongono la luce: i fotoni.
L'esperienza diventa quindi un gioco d'immaginazione in cui si risponde alla domanda "cosa succederebbe se...?" e, partendo da basi dimostrate dalla teoria, si procede ad una ricostruzione logico-conseguenziale dello svolgersi degli eventi.

La sovrapposizione degli stati quantistici

La meccanica quantistica possiede uno strano ma fondamentale principio, il principio di sovrapposizione degli stati, che è uno dei concetti che rende la meccanica quantistica così lontana dalla realtà macroscopica quotidianamente sperimentata dai nostri sensi.
Per rendere l'idea, prendiamo un esempio a noi familiare: il funzionamento di un PC. Penso sia noto che il pensiero del PC sia formato da Bit, che sono la più piccola unità di informazione classica, ossia da piccole celle che possono assumere valore zero o valore 1. Come direbbero i latini, è un aut aut o, in termini di algebra Booleana, uno XOR.
Il principio di sovrapposizione quantistico permette ad un singolo QBit, (quantum bit la più piccola unità di informazione quantistica), di assumere contemporaneamente sia il valore 0, sia il valore 1.
Grazie ad una costruzione matematica, questo equivale a dire che un qbit può assumere tutti i valori compresi tra 0 e 1 cioè valori infiniti: immaginate i numeri decimali; qual è il più piccolo numero diverso da 0 che riuscite ad immaginare? 0.001? 0.000001? In realtà tale numero non è quantificabile perché, per quanti zeri possiate mettere dopo la virgola, ci sarà un altro numero di un ordine di grandezza più piccolo ossia con uno zero decimale in più.

Uno stato che può assumere due valori completamente opposti, come il qbit, è quello che in fisica viene chiamato Stato Gatto (sì, proprio il gatto di Mr. S) e di fatto è ciò che permette ai cosiddetti "Computer quantistici" di raggiungere potenze di calcolo inimmaginabili.
I bit così come li conosciamo oggi vengono processati un valore alla volta: se mi trovo nel caso di dover analizzare alternative diverse alla stessa domanda, ogni alternativa sarà analizzata separatamente dall'altra.
Questo significa che, nel caso di un solo bit, che può avere valore 0 o valore 1, il processore dovrà ripetere due volte la stessa operazione con le due possibilità. Immaginate cosa accadrebbe se le alternative coinvolgessero un numero di bit maggiore (vi aiuto un po' con la statistica, le diverse possibili disposizioni per un numero n di bit sono 2^n, 300 bit equivalgono ad un numero con novanta cifre di operazioni).
I QBit, dal momento che assumono entrambi i valori contemporaneamente, riescono a processare informazioni opposte contemporaneamente, a patto che a nessuno venga la curiosità di "vedere" l'operazione prima che sia finita.

Tante informazioni nello spazio di un atomo

Se questa sovrapposizione si mantenesse nonostante l'interazione con l'osservatore, sarebbe facile ricavare una quantità praticamente infinita di informazioni nello spazio di un atomo (vi ricordate la costruzione matematica per cui è possibile considerare che un qbit prende tutti i valori infiniti tra 0 e 1 di cui parlavamo all'inizio?).
La realtà, ovviamente, è più crudele di quello che si spera, quindi no, non basta un solo atomo per conservare informazioni infinite.
Nel momento in cui si esegue la misura, cioè si va a vedere il risultato del processo, esiste una probabilità, dipendente dal processo stesso, che il risultato ottenuto sia 0 o 1. Questo accade a causa del collasso della funzione d'onda: una particella quantistica, quando osservata, decade in uno degli stati possibili dallo stato sovrapposto iniziale.
La grande rivoluzione del qbit sta proprio in questa probabilità, che è ciò che permette di conservare in un singolo qbit informazioni ben più complesse di quelle che sarebbe possibile estrapolare da un semplice valore binario.
Tuttavia per estrapolare questa probabilità sono necessarie, almeno in linea di principio, infinite misure, e ciò, come si può ben immaginare, fa sorgere un problema: per fare infinite misure bisogna innanzitutto avere infiniti qbit (potremmo anche accontentarci di un numero abbastanza grande), tutti inizialmente identici, e tutti lasciati evolvere alle stesse identiche condizioni, senza interazioni.

Un tale sistema diventa talmente delicato da essere affetto da un errore così grande da compromettere la validità stessa del processo: un minuscolo sbalzo di temperatura, un impercettibile tremolio nella stanza accanto, la presenza dello stesso circuito elettrico, necessario a far funzionare il tutto, persino una di quelle particelle provenienti dallo spazio, che ogni giorno ci bombardano in continuazione, potrebbe degradare l'informazione e far ottenere un risultato che non ha nulla a che vedere con quello del processo voluto.

Quindi il gatto di Mr. S è vivo o morto?

Per rispondere a questa domanda, ora che il principio di sovrapposizione non dovrebbe più esserci così sconosciuto, proviamo a fingerci tutti scienziati e ripetere l'esperimento di Schrodinger con la nostra immaginazione.

Ecco quello che serve:

- Un gatto (e dei guanti imbottiti nel caso in cui il felino scelto non sia molto propenso a rendersi disponibile per la partecipazione).

- Una scatola che può essere ben sigillata.

- Un oggetto che "agisce in qualche modo" in base al valore assunto dal qbit istante per istante.

Storicamente Mr S. non parlava di qbit, ovviamente: per il suo esperimento"usò" una fonte radioattiva e un contatore Geiger. Io preferisco dare al tutto un tocco di modernità. Fatte le dovute premesse, possiamo iniziare!
Riponete il gatto dentro la scatola insieme all'oggetto collegato al qbit (assicuratevi che sia solo nella vostra immaginazione). Dopo di che svuotate totalmente la scatola; dentro non deve restare nulla, né un atomo d'aria, né un elettrone ribelle, nulla! Solo il gatto e lo strumento di misura.
In realtà c'è una cosa che non vi ho detto, altrimenti non mi avreste seguita nell'esperimento. Vi avevo presentato l'oggetto scrivendo che reagisce in qualche modo al valore assunto dal qbit: tale aggeggio è collegato ad una boccetta di veleno e, in ogni istante:

- Se il qbit assume valore zero, la boccetta si romperà e il gatto verrà avvelenato.

- Se il qbit assume valore uno, la boccetta resterà integra e il micio resterà vivo.

So che la cosa non vi piacerà, ma ormai siete in gioco...

Inizialmente la scatola è vuota, buia e il gatto è in balìa delle bizze del qbit, che è libero di comportarsi da entità quantistica e di sovrapporre i suoi due stati; questo significa che, visto che l'aggeggio agisce istante per istante, anche la boccetta di veleno sarà in uno stato sovrapposto, sia rotta che integra, addirittura lo stesso gatto si troverà in uno stato di sovrapposizione.
Finchè la scatola sta ben sigillata e il qbit è libero di essere quantistico, il gatto è vivo e morto contemporaneamente. Nel momento in cui andremo a controllare la sorte del gatto, tante cose entreranno dentro la scatola e il qbit perderà il potere quantistico della sovrapposizione (vi assicuro che non è magia) e dovrà assumere un solo valore, o 0 o 1, di conseguenza la boccetta sarà integra o rotta e il gatto sarà completamente morto o avrà sufficiente forza per azzannarvi e farvela pagare cara.

Un attimo ancora prima dei titoli di coda.

Lo so, lo so, non è la risposta che vi aspettavate, forse avete ancora qualche dubbio a capire il significato profondo di questo contemporaneamente che ho ripetuto più volte, ma, come disse Niels Bohr, uno dei padri della Meccanica quantistica e Premio Nobel per la fisica nel 1922

"Quelli che non rimangono scioccati, la prima volta che si imbattono nella meccanica quantistica, non possono averla compresa."

Vi lascio con l'effetto wow: il vero motivo per cui si parla ancora di un esperimento mai avvenuto vecchio quanto i nostri nonni è che 20 qbit superano le capacità di calcolo di 1 Megabit; 300 qbit equivalgono ad un numero di bit maggiore rispetto al numero delle particelle che compongono l'Universo.