Ultime dal fronte quantistico dell’informazione

Dei giorni scorsi sono due notizie alquanto interessanti per gli appassionati di informatica e di elettronica, soprattutto per quanto concerne i potenziali sviluppi futuri della tecnologia dell’informazione.

Spin-wavefunction (Photo credit: Wikipedia)

Nel 2008 si cominciò a parlare anche qui da noi di spintronica, una nuova branca dell’elettronica quantistica il cui campo di applicazione più promettente sembrava essere proprio nel settore dei processori quantistici. Su Fantascienza.com ne parlammo diffusamente, per cui rimandiamo a quell’articolo chiunque volesse approfondire l’argomento. Forti degli studi avviati dai ricercatori dell’Università della California di Santa Barbara, sede del Center for Spintronics and Quantum Computation, dalla loro collaborazione con i colleghi del Politecnico di Delft (Paesi Bassi) e della Iowa State University è nato il prototipo funzionante di una nuovissima classe di processori, che dimostra la fattibilità di computer quantistici allo stato solido. Sicuramente è presto per pensare a una produzione commerciale: stiamo solo muovendo i primi passi verso la nuova frontiera della computazione, ma il risultato raggiunto dagli scienziati dei tre istituti summenzionati dimostra che la direzione è quella giusta.

Il prodotto delle loro ricerche è costituito da un substrato di carbonio cristallino al cui interno sono confinati due qubit (ovvero bit quantistici, le unità di base dell’informazione quantistica), realizzati rispettivamente da un nucleo di azoto introdotto come impurità nel diamante e da un elettrone presente in un altro difetto della struttura. In particolare l’informazione è rappresentata dal loro spin, vale a dire il momento angolare intrinseco o, più intuitivamente, il verso di rotazione del nucleo e dell’elettrone. Questa proprietà delle particelle subatomiche si presta a un’applicazione utile nel campo della computazione quantistica. Il principale degli effetti collaterali con cui occorre fare i conti quando si maneggiano unità di informazione quantistiche è infatti la decoerenza, ovvero il progressivo deterioramento prodotto dalle «interferenze» dell’ambiente esterno sull’informazione immagazzinata nei qubit, e il relativo brevissimo intervallo di tempo in cui essi risultano pertanto manipolabili. La tecnica classica prevede un raffreddamento del sistema a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), per ridurre le interazioni con l’esterno congelando di fatto il sistema lontano dal rumore ambientale. Tale processo è però comprensibilmente costoso ed è improbabile pensare a una sua applicazione in dispositivi prodotti su scala commerciale. La soluzione proposta con la spintronica sembra invece molto più facile da realizzare tecnicamente. Il nucleo di azoto, pur essendo un qubit più lento, presenta una certa stabilità rispetto alla decoerenza, che ne preserva lo stato per un tempo sufficientemente lungo da renderne possibile l’utilizzo in processi di elaborazione. L’elettrone rappresenta invece un qubit più veloce, ma è anche maggiormente esposto agli effetti della decoerenza. I ricercatori hanno ideato un espediente per “schermarlo” utilizzando degli impulsi a microonde.

Testato su un problema di ottimizzazione, come la ricerca di una particolare occorrenza all’interno di un database, il processore spintronico avrebbe ottenuto il risultato giusto al primo colpo nel 95% dei casi, un risultato sensibilmente superiore a quello che sarebbe stato lecito aspettarsi da un processore classico basato su un algoritmo di ricerca tradizionale (che avrebbe avuto una sola probabilità sul numero complessivo di elementi della base di dati). Un risultato, secondo gli autori della ricerca pubblicata su Nature, sufficiente a dare ragione del comportamento quantistico del loro prototipo.

Secondo molti esperti, proprio campi specifici come l’ottimizzazione o la crittografia rappresenterebbero il terreno più fertile per le applicazioni dei futuri processori quantistici, che quindi finirebbero per soppiantare i processori tradizionali soprattutto nel settore dei dispositivi special purpose, ovvero progettati per assolvere a compiti complessi ma specifici. Un gruppo di ricerca del Max Planck Institut di Garching (Germania) attivo nell’Ottica Quantistica ha invece già pensato a una possibile rete quantistica. Non dobbiamo tuttavia confondere il loro risultato con il progetto di quantum network avviato a Durban, in Sudafrica, dal Centre for Quantum Technology della locale Università del KwaZulu-Natal e basato sulla crittografia quantistica delle informazioni scambiate dalle strutture pubbliche della municipalità di eThekwini, connesse sulla metropolitan area network (MAN) della città. Lo scopo della ricerca eseguita al Max Planck non si limita alla crittografia, ma ambisce a creare una rete come quelle su cui si basa quotidianamente la nostra comunicazione e interazione remota, ma interamente basata su tecnologie quantistiche.

Elementary quantum network of single atoms in optical cavities.

La rete quantistica implementata a livello prototipale dagli scienziati di Garching consiste infatti in due nodi multifunzione collegati da una fibra ottica e capaci di trasmettere, ricevere e archiviare informazioni quantistiche. I nodi sono costituiti da atomi di rubidio intrappolati in cavità ottiche riflettenti: lo stato quantistico di ciascun atomo rappresenta il qubit. Accoppiando tramite entanglement quantistico lo stato di un nodo a quello di un fotone trasmesso attraverso la fibra si realizza lo scambio di informazione con l’altro nodo. Per il momento il prototipo di rete occupa i laboratori dell’istituto e i nodi distano tra loro 21 metri e sono collegati da una fibra ottica lunga 60 metri, ma non ci sono limiti alla scalabilità dell’applicazione. “Stiamo cercando di costruire un sistema in cui il nodo è l’elemento universale”, spiega Stephan Ritter, coautore dello studio pubblicato su Nature. “Non solo è in grado di inviare e ricevere: in linea di principio potrebbe fare tutto ciò che ci si può immaginare”. Il che significherebbe informazione scambiata velocemente e altrettanto velocemente processata, ma soprattutto comunicazione sicura.

Siamo davanti a due significativi passi in avanti nella strada verso la prossima rivoluzione tecnologica che investirà i campi dell’elettronica e dell’information technology. Ne seguiremo gli sviluppi, tenendo come sempre le nostre antenne ben puntate sulle sorgenti del futuro.

 

L’empatia fiabesca di Shaun Tan

Vincitore agli Oscar 2011 dell’Academy Award for Animated Short Film, The Lost Thing è un cortometraggio d’animazione della durata di quindici minuti, diretto da Andrew Ruhemann e Shaun Tan, narrato dalla voce di Tim Minchin.

Shaun Tan, già noto e pluripremiato a livello internazionale, è un narratore sorprendente, capace di catturare l’attenzione grazie al suo variegato immaginario e al lirismo delle sue storie. Protagonista del cortometraggio è un ragazzo solitario e introverso, instancabile collezionista di tappi di bottiglia. Un giorno, mentre si sta dedicando a questo hobby sulla spiaggia, si imbatte in una creatura singolare, una specie di teiera-granchio. Resosi conto che essa si è perduta, abbandonata tra l’indifferenza di tutti, cerca di scoprire a chi appartenga e di ritrovare la sua casa.

L’ambientazione ricreata da Tan è volutamente inquietante: decadenti edifici di cemento sui quali si arrampicano tubi arrugginiti, una città statica e sprofondata, come in alcuni dipinti di Edward Hopper, in una sorta di apatia, di noia post-industriale. Anche i suoi abitanti sono affini al mondo autistico che popolano, completamente assorbiti in se stessi, nelle proprie abitudini rituali e in una vita desolata e incolore, tanto che nemmeno notano la creatura e non vogliono a nessun costo interrompere la routine per aiutarla. Nel disinteresse generale e ostacolato da una burocrazia kafkiana, solo il giovane, commosso dall’infelicità di questo curioso essere, se ne prende cura.

A tratti struggente, a tratti gioioso, questo corto seduce con una grafica fiabesca ed è sorretto da un solido costrutto di progettazione, animazione, suono e musica. Contraddistinguendosi per eleganza e semplicità, dipinge un mondo surreale che fonde il quotidiano, l’insolito e il bizzarro. La storia è speciale non solo per l’impianto grafico-narrativo, ma poiché invita a guardare il mondo con occhi diversi, per accorgerci di quanto ci circonda e recuperare la fiducia nel valore della bontà. Il concetto di cosa perduta, inoltre, ha una sottile venatura filosofica: può essere simbolo della natura, dell’innocenza, oppure il dilemma di aver smarrito se stessi o la propria parte più umana; sono molte le interpretazioni possibili.

Abile a governare l’incantesimo che lega immagine e parola (“io uso il testo come malta tra le piastrelle delle figure: il testo è un tessuto connettivo tra le immagini che raccontano la storia”), la visione di Shaun Tan è peculiare e vuole trasmette significati profondi soprattutto tramite l’emozione e l’empatia. In tal senso, rammentando una citazione di Neil Gaiman (“He had gone beyond the world of metaphor and simile into the place of things that are, and it was changing him”) e leggendo un’intervista congiunta pubblicata poco tempo fa sul Guardian, ho ravvisato che le analogie tra questi due autori e la loro poetica non sono poche.

In The Lost Thing, così come in alcuni testi gaimaniani (si pensi a Neverwhere e Stardust, solo per citarne un paio), l’impianto fantastico è strumento ed espediente fondamentale per veicolare un messaggio di valenza universale. Altri punti di contatto sono, ad esempio, la staticità e grettezza in cui sprofonda il quotidiano, l’attenzione ai particolari apparentemente insignificanti ma dietro ai quali si celano meraviglie e altre dimensioni, il superamento dell’egoismo, del disinteresse, delle proprie ristrette vedute, l’emozione e l’empatia che risvegliano l’io. Fattore fondamentale è, in primis, la curiosità, quale capacità di gettare uno sguardo profondo e diverso sul mondo, vederne e valutarne le sfaccettature. Solo grazie alla curiosità, cui è strettamente legato il desiderio di arricchimento interiore, è possibile superare l’indifferenza e riuscire finalmente a vedere davvero. In secondo luogo, centrale è il ruolo dell’emozione, che, intesa anche in senso etimologico (e-moveo) si ricollega direttamente all’empatia. Essere in grado di provare empatia spinge a mettersi in gioco, ad andare oltre il sé: se l’individualismo è fondamentale per coltivare se stessi, rendersi individui e non massa, l’empatia è la summa in cui convergono curiosità ed emozione, nonché uno degli strumenti fondamentali concessi all’essere umano per salvare se stesso e compiere un salto evolutivo di consapevolezza.

Questo assunto non è soltanto mera speculazione. La teoria dei neuroni specchio, di recente tornata in voga a seguito dell’uscita del film L’alba del pianeta delle scimmie, il cui lancio è stato accompagnato anche da approfondimenti (questo ne è un esempio interessante) a cura di uno dei maggiori studiosi odierni, il primatolgo Frans De Waal, consente un nuovo approccio agli schemi relazionali tra esseri umani, punto fondamentale dei quali sarebbe proprio l’empatia (ben diversa dall’altruismo), pur legata al restante complesso sistema emozionale umano. Un nuovo metodo di studio per una gamma eterogenea di discipline, quindi, che beneficia dell’apporto delle tesi della fisica quantistica e delle teorie delle complessità, le quali si sono rivelate particolarmente proficue nello studio dell’interazione dinamica degli organismi viventi. L’empatia, anche scientificamente, corrisponderebbe all’accettazione della sfida diretta a superare i limiti del singolo, a sviluppare conoscenze innovative e creative non solo per i propri fini. A lungo termine essa potrebbe incentivare il rinnovamento dalla declinante società meccanicistica e iper-capitalistica verso una società ventura empaticamente partecipata.

E, sotto forma di fiaba immaginifica e affascinante, congiuntamente all’aforisma “today is the tomorrow you expected yesterday”, Shaun Tan ci indica l’inizio di un simile percorso.

 

Ode al Pi greco

Pi Equals, via xkcd.com.

Oggi cade una ricorrenza che allieterà la giornata di matematici e appassionati: secondo l’usanza introdotta dal fisico americano Larry Shaw, che per primo la celebrò nel 1988 con una sorta di flash mob presso i locali dell’Exploratorium di San Francisco, il 14 marzo (3/14 secondo la notazione in uso nel mondo anglosassone per le date) è infatti il giorno del pi greco. Per la maggior parte di noi, il pi greco è quell’astrusità matematica che rientra nel calcolo delle formule principali riguardanti le figure circolari: la circonferenza di un cerchio è pari a pi greco volte il diametro (ovvero 2πr), l’area di un cerchio misura pi greco volte il quadrato del raggio (πr²), la superficie esterna di una sfera di raggio r vale 4πr² e il suo volume 4/3 πr³. Ci hanno insegnato che il pi greco è un numero irrazionale, ovvero composto da una sequenza infinita di cifre decimali dopo la virgola, ma per comodità nei calcoli quotidiani si può approssimare a 3,14. Da cui la scelta di questa giornata.

Non tutti sanno che il pi greco è così denominato dall’iniziale della parola greca περιμετροσ (perimetros) e che compare un po’ dovunque, in matematica come in natura: ritroviamo il pi greco nel principio di indeterminazione di Heisenberg, nella costante cosmologica di Einstein, nel valore della permeabilità magnetica del vuoto; ma anche nella geomorfologia, come limite, già osservato dallo stesso Einstein, a cui in genere tende il rapporto tra la lunghezza di un fiume e la distanza della sua sorgente dalla foce, assicurando il percorso più “comodo” e minimizzando l’effetto dell’erosione. Siamo praticamente circondati da un mondo fatto a misura di pi greco.

È ormai trascorso quasi un quarto di secolo da quando per la prima volta, con una invidiabile intuizione situazionista, Larry Shaw radunò il personale e i visitatori del museo in cui lavorava, organizzando una marcia in tondo attorno a uno dei padiglioni e ristorando poi i presenti con torte alle mele decorate dallo sviluppo decimale del pi greco; ma di anno in anno le celebrazioni della data di sono moltiplicate, al punto da renderla una piccola istituzione. Fatto singolare, il 14 marzo è anche l’anniversario della nascita di Albert Einstein, figura-chiave della scienza del XX secolo assurta a icona pop per eccellenza.

Due anni fa Google ricordava la ricorrenza con uno dei suoi doodle più fantasiosi.

Noi vi rimandiamo a un articolo più circostanziato apparso cinque anni fa su Fantascienza.com e cogliamo l’occasione per ricordare in questa data il premio Nobel Wisława Szymborska, poetessa polacca scomparsa lo scorso 1° febbraio, autrice tra le sue liriche anche di un poemetto dedicato alla più straordinaria delle costanti matematiche. Tratto dalla raccolta Grandi numeri (Wielka Liczba) del 1976, quello che segue è Sul pi greco nella traduzione di Alessandra Czeczott:

Degno di meraviglia è il numero Pi greco
tre virgola uno quattro uno.
Le sue cifre seguenti sono ancora tutte iniziali,
cinque nove due, perchè non ha mai fine.
Non si fa abbracciare sei cinque tre cinque con lo sguardo,
otto nove con il calcolo,
sette nove con l’immaginazione,
e neppure tre due tre otto per scherzo, o per paragone
quattro sei con qualsiasi cosa
due sei quattro tre al mondo.
Il più lungo serpente terrestre dopo una dozzina di metri s’interrompe.
Così pure, anche se un po’ più tardi, fanno i serpenti delle favole.
La fila delle cifre che compongono il numero Pi
non si ferma al margine del foglio,
riesce a proseguire sul tavolo, nell’aria,
su per il muro, il ramo, il nido, le nuvole, diritto nel cielo,
per tutto il cielo atmosferico e stratosferico.
Oh come è corta, quasi quanto quella di un topo, la coda della cometa!
Quanto è debole il raggio di una stella, che s’incurva nello spazio!
Ed ecco invece due tre quindici trecento diciannove
il mio numero di telefono il tuo numero di camicia
l’anno mille novecento settanta tre sesto piano
numero di abitanti sessanta cinque centesimi
giro dei fianchi due dita una sciarada e una cifra,
in cui vola vola e canta, mio usignolo
e si prega di mantenere la calma,
e così il cielo e la terra passeranno,
ma il Pi greco no, quello no,
lui sempre col suo bravo ancora cinque,
un non qualsiasi otto,
un non ultimo sette,
stimolando, oh sì, stimolando la pigra eternità
a durare.

Poesia e matematica, fuse in una sintesi mirabile. L’istantanea più efficace della meraviglia che si accompagna da sempre all’immensità del 3,14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 592…