La meccanica dei quanti – quantità indivisibili di energia, azione, moto, carica e forza, che ci permettono di approcciare fenomeni altrimenti incomprensibili, come l’irradiazione di un laser, un corpo incandescente o l’effetto fotoelettrico – è destinata a cambiare molte delle tecnologie su cui facciamo affidamento e che consideriamo innovative. Alcune delle menti più illuminate della comunità scientifica sono oggi a lavoro su questa nuova frontiera di ricerca teorica avanzata. Tra queste, c’è Edward (“Ned”) Allen, chief scientist di Lockheed Martin, azienda americana e globale impegnata in aerospazio, difesa e sicurezza, con base a Bethesda, in Maryland, e 100mila dipendenti, la metà dei quali ingegneri, scienziati o professionisti dell’Information technology (It). Presente in 52 Paesi, Lockheed Martin focalizza la propria strategia tecnologica su aree che comprendono: autonomia e robotica, energia diretta, cyber-security, tecnologia sensoristica ed electronic warfare.

LA SCIENZA DELL’INFORMAZIONE QUANTISTICA

Ci sono molti campi in cui la fisica quantistica può essere applicata. “Il mio ufficio – ha spiegato Allen – è particolarmente impegnato sulla quantum information science: computer quantistici, sensori quantistici, e termodinamica quantistica finalizzata ad aumentare l’efficienza energetica”. Tra questi, uno dei settori più affascinanti è senza dubbio quello che vedrà il quantum computing rivoluzionare i viaggi spaziali e l’esplorazione extra-atmosferica, senza dimenticare i voli tradizionali. La piena applicazione di queste tecnologie è tuttavia ancora immatura e perciò Lockheed Martin ha adottato un approccio pragmatico, ispirato al fisico e filosofo inglese Richard Jozsa, fatto di “piccoli ma importanti passi”, tesi a stabilire una partnership forte ed efficace tra i computer classici e quelli quantistici.

IL “QUASSICAL COMPUTING”

“La chiamiamo quassical computing, un nome che combina le strutture e la capacità del computing quantistico con quelle del computing classico, e ciò significa intrinsecamente che un computer della seconda categoria può diventare potente come uno della prima, e questo può avvenire con un solo piccolo aiuto dalla controparte quantistica. A tal proposito – ha detto il chief scientist – stiamo sviluppando piccoli processori quantistici che agiscono come co-processori per i computer classici, allo scopo di aumentare il controllo del volo di aerei militari, veicoli spaziali e sistemi di guida”. Il co-processore quantistico, come quello grafico su un computer classico, può compiere azioni che aumentano le capacità dei veicoli autonomi. “Oggi – ha spiegato Allem – automobili a guida autonoma e veicoli aerei unmanned (Uav), droni compresi, non hanno in linea generale una situational awareness tale da aspirare a livelli ottimali di safety e performance. Eppure, già adesso Lockheed Martin sta mettendo a punto l’aereo autonomo e i veicoli subacquei e di superficie del futuro, pianificando allo stesso tempo il supporto agli shuttle che porteranno l’uomo su Marte; e tutti questi avranno bisogno di capacità autonome avanzate per la gestione della navigazione, del condizionamento ambientale umano e di eventi imprevisti”.

PER I VEICOLI DEL FUTURO

Il problema maggiore, ha rimarcato l’esperto, è che “oggi, un veicolo autonomo progettato per viaggi interplanetari nel Sistema solare, non può essere gestito in tempo reale da terra; i sistemi di controllo attuali hanno un ritardo intrinseco dovuto ai limiti della velocità della luce (i comandi viaggiano solo a questa velocità, non di più) e ai limiti relativi alla velocità di calcolo nella tecnologia attualmente disponibile. Così, dobbiamo realizzare veicoli veramente autonomi attraverso la capacità di decisioni autonome e anticipatorie, abilitata dalla scienza dell’informazione quantistica, così da poter produrre asset con la performance più significativa e operativamente utile”. La ricerca in questo campo, tesa ad abilitare tali performance, genererà ampi ritorni in futuro, anche se “richiede investimenti enormi nel presente”. In altre parole, la ricerca scientifica sull’informazione quantistica porta con sé un’ambiziosa promessa di abilitazione dei veicoli e dei sistemi del futuro, sebbene siano necessari grandi investimenti e occorra superare rilevanti ostacoli tecnici. Eppure, fortunatamente, esistono molti parametri fisici che consentono di controllare con precisione gli stati quantici e assicurare dunque una trasmissione di informazioni di successo che permetterà la suddetta abilitazione.

IL PROBLEMA DELLA DECOERENZA…

Ad ogni modo, il più sfidante tra gli ostacoli tecnici è la cosiddetta “decoerenza”, ovvero la perdita dell’ordine e dunque del contenuto informativo di un qubit (contrazione di “bit quantistico”, termine coniato da Benjamin Schumacher per indicare l’unità di informazione quantistica) a riposo in una memoria quantistica, o trasportato attorno al computer, o ancora attraverso canali di comunicazione che trasmettono informazioni quantistiche.

…E COME RISOLVERLO

“Ci sono molti modi per affrontare questo delicato problema”, ha sottolineato Allen. “Il primo è ridurre l’esposizione del quibit ai fenomeni fisici che causano la decoerenza (Rfi, fluttuazioni termiche, vibrazioni, ecc.). Se si riduce la probabilità di errori di decoerenza intorno all’1%, si possono iniziare a utilizzare metodi di correzione dell’errore quantistico per recuperare la tolleranza all’errore nel sistema. Il problema è che nessuno sta avendo successo né nell’adeguato isolamento del qubit, né nella correzione dell’errore. Quest’ultima può anche richiedere un gran numero di qubit fisici per produrre un qubit logico funzionante, e questo aumenta la probabilità dell’errore. Microsoft, ad esempio, sta ricercando attualmente un metodo di computing quantistico chiamato “topological computing”, che usa speciali formulazioni di qubit incorporati in “quasi-particelle” che sono fortemente resistenti alla decoerenza, tanto che ogni incompletezza nell’isolamento del qubit non produce tanti errori – anche se errori si insinuano comunque in tali sistemi attraverso i canali richiesti per accedere ai qubit per ottenere dati dentro e fuori dal computer. Comunque, l’approccio topologico di Microsoft è solo uno dei tanti possibili di questa tipologia”.

LA QUESTIONE DELLA LATENZA DEL SISTEMA

Poi, c’è un problema più generale di latenza del sistema. “Un sistema fisico o meccanico progettato da un ingegnere – ha evidenziato il chief scientist di Lockheed Martin – è controllato attraverso circuiti di feedback, tali per cui un sistema o un impianto compie un errore, che è identificato da un controllore computer-based, il quale cala l’input correttivo nei parametri dell’impianto e li ricalibra sul loro corso previsto”.

“Poiché il sistema deve compiere l’errore prima che questo possa essere identificato, la correzione avviene sempre un momento dopo e il corso non è lineare. Ciò viene definito “latenza” del controllore. In molte applicazioni, la latenza deve essere ridotta al minimo assoluto per assicurare il più lineare corso possibile – e questo è vero specialmente per i controllori di sistemi di altra precisione come robot chirurgici e arei ad alta velocità. In tanti ambienti applicativi, si ricerca una latenza negativa. Ciò significa che servono sistemi che prevedano e anticipino dove si verificheranno gli errori e con che grado, e che dunque modifichino i parametri del sistema in anticipo rispetto alla loro manifestazione, e non dopo. Utilizzando un computer quantistico (Lockheed Martin ha acquistato D-Wave nel 2011) si può iniziare con lo stato fisico nel momento attuale, per poi procedere prevedendo lo stato futuro con simulazioni, ad esempio, sui prossimi 100 microsecondi, e riportare le informazioni in modo che si possano apportare le correzioni prima che l’errore si presenti”.