Conferenza "Comprendere il calcolo quantistico"

Martedì 10 ottobre, dalle 12:30 alle 14:30, nell'aula Larrañeta della Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria dell'Università di Siviglia, il Prof. Dr. Abbas Omar, professore emerito dell'Università Otto von Guericke di Magdeburgo (Germania), terrà la seguente conferenza, organizzata nell'ambito del programma di dottorato in Ingegneria Automatica, Elettronica e delle Telecomunicazioni: "Comprendere il calcolo quantistico".

Riassunto: I computer classici si basano sulla codifica binaria dei dati digitali. I codici binari vengono elaborati applicando l'algebra booleana tramite circuiti elettrici digitali noti come porte logiche. Queste ultime sono semplici configurazioni di transistor e altri elementi circuitali (resistenze, condensatori, ecc.). Il funzionamento delle porte logiche è governato dalla teoria dei circuiti, una forma semplificata dell'elettromagnetismo classico. Negli anni Sessanta del secolo scorso, è stata fatta un'osservazione, oggi nota come "legge di Moore", che prevede un raddoppio del numero di componenti (principalmente transistor) in un circuito integrato ogni due anni. Sulla base di ciò, è stata prevista la dimensione dei transistor a livello molecolare (i transistor all'avanguardia possono essere piccoli come pochi atomi), il che deve necessariamente invalidare la teoria dei circuiti come strumento matematico per descrivere le prestazioni delle porte logiche. Questo ha spinto diversi scienziati, all'inizio degli anni Ottanta del secolo scorso, a pensare di sostituire questi elementi costitutivi dei computer classici con quelle che vengono chiamate porte quantistiche. Il funzionamento di questi ultimi è interamente governato dalle leggi della meccanica quantistica. I computer i cui elementi costitutivi sono porte quantistiche sono chiamati computer quantistici. Poiché le leggi classiche (sia della meccanica che dell'elettromagnetismo) rappresentano un caso limite delle più complete leggi quantistiche, è diventato evidente che i computer quantistici possono implementare algoritmi non disponibili nelle loro controparti classiche. Ciò ha incoraggiato gli scienziati a sviluppare tali algoritmi e le strutture di ricerca e sviluppo a trovare e costruire le corrispondenti implementazioni hardware. Esempi di rilievo sono l'hardware sviluppato da IBM e Google. La maggior parte degli approcci utilizzati per spiegare il calcolo quantistico si basa su concetti altamente accademici della meccanica quantistica. La terminologia utilizzata non è facilmente comprensibile dalla maggior parte del pubblico interessato, che possiede solo una conoscenza generale dell'argomento. In alcuni casi, si crea la percezione esagerata che questa "cosa magica" sia in grado di risolvere tutti i problemi computazionali in modo molto più efficiente e veloce rispetto a un computer classico. In questa presentazione, per spiegare i concetti alla base del calcolo quantistico e le funzioni del relativo hardware, ovvero il computer quantistico, verranno utilizzati esclusivamente strumenti e terminologia matematici di livello universitario. Verranno brevemente riepilogate le principali differenze tra meccanica classica e quantistica. Si dimostrerà che le variabili dinamiche quantistiche, come posizione e quantità di moto nei sistemi meccanici, così come tensione e corrente nei circuiti elettrici, si comportano come segnali casuali anziché deterministici, le cui caratteristiche possono essere utilizzate per veicolare informazioni. Verrà inoltre dimostrato che questi segnali casuali possono essere memorizzati ed elaborati in quelli che vengono chiamati qubit. Questi ultimi sono la controparte quantistica dei bit classici. Verrà illustrata la realizzazione hardware dei qubit sotto forma di circuiti superconduttori, i Transmon. Altre realizzazioni di qubit, come ioni intrappolati e punti quantici, non saranno prese in considerazione. Data l'impossibilità di isolare completamente i sistemi dinamici dall'ambiente circostante, il rumore termico e le variabili dinamiche quantistiche, essendo entrambi segnali casuali, interagiscono tra loro. A differenza dei segnali deterministici, il rumore statistico essenziale delle variabili dinamiche quantistiche interagenti, noto come coerenza. Quest'ultima è una sorta di "memoria" che permette a diverse variabili dinamiche quantistiche di "ricordarsi" a vicenda. L'utilizzo di sistemi quantistici per la codifica e l'elaborazione delle informazioni richiede quindi il raffreddamento dei sistemi a temperature molto vicine allo zero assoluto (0°K) per ridurre l'impatto del rumore sulla coerenza. Gli errori di codifica ed elaborazione dovuti al deterioramento della coerenza potrebbero anche richiedere l'impiego di tecniche di correzione degli errori simili a quelle note nella codifica di canale. Breve CV del relatore (https://www.hf.ovgu.de/Team/Emeriti/Abbas+Omar.html): Abbas Omar ha conseguito la laurea triennale, la laurea magistrale e il dottorato di ricerca in ingegneria elettrica rispettivamente nel 1978, 1982 e 1986. È stato professore di ingegneria elettrica dal 1990 e direttore della Cattedra di Ingegneria delle Microonde e delle Comunicazioni presso l'Università di Magdeburgo, in Germania, dal 1998 fino al suo pensionamento nel 2020. Nel 2012 e 2013 è entrato a far parte del Petroleum Institute di Abu Dhabi come Professore Emerito, occupandosi dell'organizzazione delle attività di ricerca per l'industria petrolifera e del gas in questo settore. Nel 2014 e 2015 ha diretto il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica presso l'Università di Akron, Ohio, USA. Il Dott. Omar è autore e coautore di oltre 480 articoli tecnici che spaziano in un ampio spettro di aree di ricerca. I suoi attuali campi di ricerca e insegnamento riguardano gli aspetti sanitari delle radiazioni a onde millimetriche, l'informatica quantistica, gli array di fase e il beamforming per il Massive MIMO, e la risonanza magnetica per immagini. In passato si è occupato anche di altre discipline, tra cui l'imaging a microonde e acustico, la caratterizzazione dei materiali a microonde e onde millimetriche, il posizionamento indoor, la tomografia del sottosuolo e il georadar, e la modellazione teorica di campo di sistemi e componenti a microonde. Il Dott. Omar è membro dell'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).