Sapere Scienza

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Computer quantistico: il “costo” energetico per elaborare l’informazione

14 Gennaio 2021 di 

Cosa succede quando cancelliamo dei dati? L’Informazione è Fisica e sta sempre su un supporto fisico e, quando si cancellano dei dati, si consuma energia e si crea entropia, che è una grandezza che quantifica la tendenza dei fenomeni naturali verso un grado di disordine sempre maggiore.
Entrambi questi processi sono irreversibili, ovvero non si possono invertire nel tempo e compiere nel verso opposto; si tratta però di irreversibilità di tipo diverso: la prima – cancellare l’informazione – riguarda la logica, mentre la seconda – scambio di energia – ha una valenza termodinamica. Questi due aspetti sono comunque collegati secondo un principio, scoperto dal fisico americano Rolf Landauer nel 1961, che fissa un limite per il consumo energetico quando si elabora l’informazione, ad esempio nelle cosiddette porte logiche dei computer.

 

Bit, porte logiche e informazione


Le porte logiche sono dei circuiti logici in cui si elabora l’informazione che è codificata nel bit classico con valori 0 e 1; dati alcuni valori di ingresso restituisce un valore di uscita. In questo contesto una migliore operazione, corrispondente anche a una minore perdita di informazione, viene associata a un minore aumento entropico e quindi un minore scambio di energia con l’esterno. In altri termini, questo criterio permetterebbe di quantificare il costo energetico delle operazioni di calcolo nei nostri computer.
Tuttavia questi ultimi sono oggi ancora molto lontani dal limite teorico di Landauer – il livello minimo di consumo di energia – e per raggiungerlo bisogna andare a bassissime temperature o a scale spaziali nanoscopiche: lì non vale più la fisica classica, ma entra in gioco la fisica quantistica che descrive i fenomeni che riguardano il comportamento “molto strano e sorprendente” di atomi, elettroni e fotoni.

 

Quanto consuma un computer quantistico?


Nell’ambito di una collaborazione scientifica tra l’Università di Firenze nel gruppo del Prof. Filippo Caruso, Università di Roma Tre nel gruppo del Prof. Marco Barbieri e l’Università di Belfast nel gruppo del Prof. Mauro Paternostro, si sono studiate le conseguenze del principio di Landauer per un piccolo computer quantistico che adotta fotoni, le particelle di cui è costituita la luce: si è quantificato quali sono l’energia e l’entropia necessarie per far avvenire un processo di calcolo quantistico.
In Europa e nel mondo, ad opera anche di grossi colossi commerciali come Google e IBM, si stanno costruendo i primi prototipi di computer quantistici e quindi questi studi hanno un ruolo cruciale e attuale nel permettere di misurare il loro consumo energetico e la loro performance. Con questi computer quantistici l’informazione viene codificata ed elaborata in parallelo permettendo così di svolgere in pochi minuti calcoli che richiederebbero migliaia di anni nei più potenti supercomputer esistenti al giorno d’oggi.
Infatti, attualmente l’informazione è codificata in un segnale elettronico, che può essere “acceso” o “spento”. Nella fisica quantistica esiste un principio, chiamato di sovrapposizione, che permette a una particella quantistica di trovarsi contemporaneamente in più stati e quindi dà la facoltà a un computer quantistico di svolgere moltissime operazioni contemporaneamente. È l’inizio di una rivoluzione attesa da tempo che stravolgerebbe il nostro modo di codificare, trasmettere, cifrare ed elaborare l’informazione, che influenza tantissimo le nostre vite.

Filippo Caruso

Professore associato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze, ha conseguito il perfezionamento presso la Scuola Normale Superiore di Pisa. Grazie a diversi finanziamenti nazionali e internazionali, come FIRB, Marie-Curie e EU-FETOPEN, porta avanti le sue ricerche dedicate alla scienza dell’informazione quantistica e soprattutto ai problemi di trasporto su reti complesse, con applicazioni interdisciplinari nel campo bioenergetico, biomedico e, più recentemente, nel nuovo ambito dell’intelligenza artificiale quantistica.

copertina   gennaio-febbraio 2021

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