Conferenza "Comprendere il calcolo quantistico"

Martedì 10 ottobre, dalle 12:30 alle 14:30, presso l'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 lezione organizzata nell'ambito del programma di dottorato in Ingegneria automatica, elettronica e delle telecomunicazioni: "Comprendere il calcolo quantistico".

Riepilogo: I computer classici si basano sulla codifica binaria di dati digitali. I codici binari vengono elaborati applicando l'algebra booleana utilizzando circuiti elettrici digitali noti come porte logiche. Queste ultime sono semplici configurazioni di transistor e altri elementi circuitali (resistori, condensatori, ecc.). Il funzionamento delle porte logiche è governato dalla teoria dei circuiti, che è una forma semplificata dell'elettromagnetismo classico. Negli anni Sessanta del secolo scorso, è stata fatta un'osservazione, oggi nota come "Legge di Moor". Essa 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 molecolare dei transistor (i transistor all'avanguardia possono essere piccoli quanto pochi atomi), il che deve portare a invalidare la teoria dei circuiti come strumento matematico per descrivere le prestazioni delle porte logiche. Ciò ha spinto diversi scienziati, all'inizio degli anni Ottanta del secolo scorso, a pensare di sostituire questi elementi costitutivi dei computer classici con le cosiddette porte quantistiche. Il funzionamento di quest'ultimo è interamente governato dalle leggi della Meccanica Quantistica. I computer i cui elementi costitutivi sono le porte quantistiche sono chiamati Computer Quantistici. Poiché le leggi classiche (della meccanica o dell'elettromagnetismo) rappresentano un caso limite di quelle quantistiche più complete, 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 strutture di ricerca e sviluppo per trovare e costruire realizzazioni hardware corrispondenti. Esempi importanti sono l'hardware sviluppato da IBM e Google. La maggior parte degli approcci utilizzati per spiegare il calcolo quantistico si basa sui concetti altamente accademici della Meccanica Quantistica. La terminologia utilizzata non è facilmente comprensibile per la maggior parte del pubblico interessato, che ha solo una conoscenza generale dell'argomento. In alcuni casi, si ha la percezione esagerata che questa "cosa magica" sia in grado di risolvere tutti i problemi computazionali in modo molto più efficiente e molto più veloce del computer classico. In questa presentazione verranno utilizzati solo strumenti e terminologie matematiche di livello universitario per spiegare i concetti alla base del calcolo quantistico e le funzioni dell'hardware corrispondente: il Computer Quantistico. Verranno brevemente esaminate le principali differenze tra la meccanica classica e quella quantistica. Si dimostrerà che 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, i cui attributi possono essere utilizzati per trasportare informazioni. Verrà inoltre dimostrato che questi segnali casuali possono essere memorizzati ed elaborati nei cosiddetti 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 dei qubit, come gli ioni intrappolati e i punti quantici, non saranno prese in considerazione. A causa dell'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, la corruzione del rumore (Università di Siviglia, Dipartimento di Teoria dei Segnali e Comunicazioni, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Camino de los discoveryes, s/n 41092 Siviglia, SPAGNA) ha una forma diversa in questo caso. Deteriora un attributo statistico essenziale delle variabili dinamiche quantistiche interagenti, noto come Coerenza. Quest'ultima è una sorta di "memoria", che consente a diverse variabili dinamiche quantistiche di "ricordarsi" a vicenda. L'utilizzo di sistemi quantistici per la codifica e l'elaborazione delle informazioni richiede quindi di raffreddare i sistemi a una temperatura molto vicina allo zero assoluto (0 °K) per ridurre l'impatto del rumore sulla coerenza. Anche gli errori di codifica ed elaborazione dovuti al deterioramento delle coerenze potrebbero 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, magistrale e specialistica in ingegneria elettrica rispettivamente nel 1978, 1982 e 1986. È 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. È entrato a far parte del Petroleum Institute di Abu Dhabi come Distinguished Professor nel 2012 e nel 2013, occupandosi dell'organizzazione delle attività di ricerca per l'industria petrolifera e del gas in questo settore. Nel 2014 e nel 2015 ha presieduto il corso 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 coprono un ampio spettro di aree di ricerca. I suoi attuali campi di ricerca e insegnamento coprono gli aspetti sanitari delle radiazioni a onde millimetriche, il calcolo quantistico, gli array a fasi e il beamforming per MIMO massivo e la risonanza magnetica. In passato ha anche affrontato altre discipline, tra cui l'imaging a microonde e acustico, la caratterizzazione dei materiali a microonde e a 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 IEEE Fellow.