Negli ultimi cinque decenni, i processori per computer standard sono diventati sempre più veloci. Negli ultimi anni, però, i limiti a quella tecnologia sono diventati chiari:i componenti del chip possono diventare così piccoli, ed essere imballati solo così strettamente insieme, prima che si sovrappongano o vadano in cortocircuito. Se le aziende devono continuare a costruire computer sempre più veloci, qualcosa dovrà cambiare.

Una speranza chiave per il futuro di un'informatica sempre più veloce è il mio campo, fisica quantistica. Ci si aspetta che i computer quantistici siano molto più veloci di qualsiasi cosa l'era dell'informazione abbia sviluppato finora. Ma la mia recente ricerca ha rivelato che i computer quantistici avranno dei propri limiti e ha suggerito modi per capire quali sono questi limiti.

I limiti della comprensione

Ai fisici, noi umani viviamo in quello che viene chiamato il mondo "classico". La maggior parte delle persone lo chiama semplicemente "il mondo, " e sono arrivato a capire la fisica in modo intuitivo:lanciare una palla la fa salire e poi scendere in un arco prevedibile, ad esempio.

Anche in situazioni più complesse, le persone tendono ad avere una comprensione inconscia di come funzionano le cose. La maggior parte delle persone capisce in gran parte che un'auto funziona bruciando benzina in un motore a combustione interna (o estraendo elettricità immagazzinata da una batteria), per produrre energia che viene trasferita attraverso ingranaggi e assali per girare i pneumatici, che spingono contro la strada per far avanzare l'auto.

Secondo le leggi della fisica classica, ci sono limiti teorici a questi processi. Ma sono irrealisticamente alti:ad esempio, sappiamo che un'auto non può mai andare più veloce della velocità della luce. E non importa quanto carburante c'è sul pianeta, o quanta strada o quanto sono forti i metodi di costruzione, nessuna macchina si avvicinerà al 10% della velocità della luce.

Le persone non incontrano mai i reali limiti fisici del mondo, ma esistono, e con una ricerca adeguata, i fisici possono identificarli. Fino a poco tempo fa, anche se, gli studiosi avevano solo un'idea piuttosto vaga che anche la fisica quantistica avesse dei limiti, ma non sapevo come capire come potevano applicarsi nel mondo reale.

L'incertezza di Heisenberg

I fisici ripercorrono la storia della teoria quantistica fino al 1927, quando il fisico tedesco Werner Heisenberg dimostrò che i metodi classici non funzionavano per oggetti molto piccoli, quelli all'incirca delle dimensioni dei singoli atomi. Quando qualcuno lancia una palla, ad esempio, è facile determinare esattamente dove si trova la palla, e quanto velocemente si sta muovendo.

Ma come ha mostrato Heisenberg, questo non è vero per gli atomi e le particelle subatomiche. Anziché, un osservatore può vedere dove si trova o quanto velocemente si sta muovendo, ma non entrambi contemporaneamente. Questa è una realizzazione scomoda:anche dal momento in cui Heisenberg ha spiegato la sua idea, Albert Einstein (tra gli altri) era a disagio con esso. È importante rendersi conto che questa "incertezza quantistica" non è un difetto delle apparecchiature di misurazione o dell'ingegneria, ma piuttosto come funziona il nostro cervello. Ci siamo evoluti per essere così abituati a come funziona il "mondo classico" che i meccanismi fisici reali del "mondo quantistico" sono semplicemente al di là della nostra capacità di comprendere appieno.

Entrare nel mondo quantistico

Se un oggetto nel mondo quantistico viaggia da un luogo all'altro, i ricercatori non possono misurare esattamente quando è partito né quando arriverà. I limiti della fisica impongono un piccolo ritardo nel rilevarlo. Quindi non importa quanto velocemente avvenga il movimento, non verrà rilevato fino a poco più tardi. (Le lunghezze di tempo qui sono incredibilmente piccole - quadrilionesimi di secondo - ma si sommano a oltre trilioni di calcoli al computer.)

Questo ritardo rallenta efficacemente la potenziale velocità di un calcolo quantistico:impone quello che chiamiamo "limite di velocità quantistica".

Negli ultimi anni, ricerca, a cui il mio gruppo ha contribuito in modo significativo, ha mostrato come questo limite di velocità quantistica sia determinato in condizioni diverse, come l'utilizzo di diversi tipi di materiali in diversi campi magnetici ed elettrici. Per ognuna di queste situazioni, il limite di velocità quantistica è un po' più alto o un po' più basso.

Con grande sorpresa di tutti, abbiamo anche scoperto che a volte fattori imprevisti possono aiutare ad accelerare le cose, a volte, in modi controintuitivi.

Per comprendere questa situazione, potrebbe essere utile immaginare una particella che si muove nell'acqua:la particella sposta le molecole d'acqua mentre si muove. E dopo che la particella si è mossa, le molecole d'acqua tornano velocemente dov'erano, senza lasciare traccia del passaggio della particella.

Ora immagina quella stessa particella che viaggia attraverso il miele. Il miele ha una viscosità maggiore dell'acqua – è più denso e scorre più lentamente – quindi le particelle di miele impiegheranno più tempo a tornare indietro dopo che la particella si è spostata. Ma nel mondo quantistico, il flusso di ritorno del miele può aumentare la pressione che spinge in avanti la particella quantistica. Questa accelerazione extra può rendere il limite di velocità di una particella quantistica diverso da quello che un osservatore potrebbe altrimenti aspettarsi.

Progettare computer quantistici

Man mano che i ricercatori capiscono di più su questo limite di velocità quantistica, influenzerà il modo in cui sono progettati i processori per computer quantistici. Proprio come gli ingegneri hanno scoperto come ridurre le dimensioni dei transistor e imballarli più strettamente insieme su un classico chip per computer, avranno bisogno di qualche innovazione intelligente per costruire i sistemi quantistici più veloci possibili, operando il più vicino possibile al limite massimo di velocità.

C'è molto da esplorare per i ricercatori come me. Non è chiaro se il limite di velocità quantistica sia così alto da essere irraggiungibile, come l'auto che non si avvicinerà mai nemmeno alla velocità della luce. E non comprendiamo appieno come elementi inaspettati nell'ambiente, come il miele nell'esempio, possano aiutare ad accelerare i processi quantistici. Man mano che le tecnologie basate sulla fisica quantistica diventano più comuni, avremo bisogno di saperne di più su dove sono i limiti della fisica quantistica, e come progettare sistemi che traggano il massimo vantaggio da ciò che sappiamo.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.