Sempre più piccoli, sempre più potenti, sempre più veloci. Nessuno dei “figli della tecnologia” ha avuto uno sviluppo e un progresso tanto rapidi e travolgenti quanto il computer. Così, non è facile immaginare come saranno i calcolatori tra 40 o 50 anni, di quali prestazioni saranno capaci. Anche perché molti esperti sostengono che ormai l’elettronica, su cui si basano tutti i computer usati fino a oggi, si sta avvicinando ai suoi limiti estremi. E potrebbe quindi servire una vera e propria rivoluzione tecnologica per sostituire il “re elettrone” ormai stanco. Una delle possibilità è quella dei cosiddetti quantum-computer, macchine che sfruttano le strane leggi della meccanica quantistica. In teoria potrebbero essere macchine davvero piccolissime, con velocità strabilianti. Ma in pratica la strada per giungere a un quantum-computer veramente utile è ancora lunga. Anche se i primi passi cominciano a vedersi. Uno di questi è quello annunciato dalle pagine di Nature da Bruce Kane, un fisico australiano della University of New South Wales.
Kane ha proposto metodi che, almeno sulla carta, sembrerebbero poter risolvere alcuni degli enormi problemi della computazione quantistica. Ma c’è di più: la sua idea non manda affatto in soffitta i “vecchi” chip di silicio. I circuiti del quantum-computer di Kane sarebbero molto simili a quelli cui siamo abituati, e tutti gli investimenti e gli sforzi dedicati al progresso di un chip elettronico tradizionale si tradurrebbero anche in un passo per lo sviluppo del quantum-computer.
Ogni calcolatore, quantistico o tradizionale che sia, sfrutta la cosiddetta logica binaria, il cui mattone fondamentale è il bit, che può valere 0 o 1. Qualsiasi cosa “giri” su un computer, un’immagine, un programma, un suono, un testo, è in realtà un’interminabile catena di 0 e 1. I calcoli di un computer consistono appunto nel trasformare alcuni 0 in 1, e viceversa. Nei circuiti di un calcolatore elettronico queste catene di 0 e 1 sono in pratica milioni e milioni di microscopici interruttori accesi o spenti, ed è lo spostamento di alcuni elettroni a determinare lo stato di ogni interruttore. E qui sta uno dei limiti dell’elettronica. Per quanto microscopici, gli elettroni sono pur sempre abbastanza “grossi” da impedire che le dimensioni dei circuiti scendano al di sotto di una certa soglia. Non solo: quando gli elettroni si spostano, creano micro-correnti elettriche che scaldano i chip. I circuiti moderni sono sempre più piccoli e allo stesso tempo contengono sempre più interruttori, così uno dei problemi principali è proprio quello di raffreddarli.
Esistono però altri sistemi fisici che, al pari di un “interruttore elettronico” acceso o spento, possono trovarsi in due stati, e quindi sono buoni candidati per rappresentare un bit. Per esempio l’orientazione dello spin di un nucleo atomico. In presenza di un campo magnetico esterno il nucleo di un atomo si comporta come una specie di microcalamita, ma ha solo due possibilità: o si orienta nella direzione del campo o nella direzione opposta. Le leggi della meccanica quantistica proibiscono ogni situazione intermedia. I due stati dello spin potrebbero dunque rappresentare 0 o 1, cioè un bit. Anzi, un quantum-bit o qubit, come l’hanno battezzato gli scienziati. Inoltre la meccanica quantistica ci indica come “manipolare” i qubit e come “leggere” il loro valore. Insomma la ricetta, almeno teorica, per costruire computer che sfruttano le strane leggi quantistiche e che avrebbero prestazioni vertiginose rispetto a quelli classici. Peccato che la ricetta pratica rimanga una faccenda piuttosto complicata, e che i metodi tentati finora non ci permettano di andare al di là dei primi esperimenti.
Ma Bruce Kane ha proposto ora un metodo nuovo, che gli stessi commentatori di Nature definiscono audace. L’idea di Kane è di partire proprio dai gloriosi chip di silicio in cui vengono inseriti degli atomi di fosforo. I qubit sono rappresentati dallo spin dei nuclei di fosforo. La novità sta nella tecnica con cui Kane propone di “manipolarli”. Le operazioni logiche sui singoli qubit verrebbero realizzate grazie a campi elettrici esterni, mentre il valore di ogni qubit, cioè la particolare orientazione dello spin di un preciso nucleo, si potrebbe misurare in base all’influenza esercitata sugli elettroni circostanti.
Per il momento anche l’idea di Kane rimane sulla carta, e realizzarla comporta comunque difficoltà notevoli. Per esempio, tutto funziona a patto che il sistema si trovi a una temperatura di circa 100 milligradi Kelvin, cioè molto vicino ai -273°C dello zero assoluto. E i chip di silicio necessari dovrebbero essere molto più raffinati di quelli attuali. Questo, però, potrebbe essere un vantaggio, perché lo sviluppo e il progresso della tecnologia del silicio rimane comunque uno degli obiettivi principali della ricerca applicata.
